Термопара К типа: особенности, описание, виды и принцип работы термоэлектрических датчиков

Термопары платинородий-платина (ТПП)

Положительный электрод: платинородий (Pt c 10% или 13% Rh).
Отрицательный электрод: платина.

Изоляция: кварц, фарфор (обычный и огнеупорный). До 1400°С — керамика с повышенным содержанием Al2O3, свыше 1400°С — керамику из химически чистого Al2O3.

Предельная рабочая температура 1400°С длительно, 1600°С кратковременно. Измерение низких температур обычно не производят.

Рабочая среда: окислительная и инертная, восстановительная в присутствии защиты.

Недостатки: высокая стоимость, нестабильность при облучении, высокая чувствительность к загрязнениям (особенно платиновый электрод), рост зерен металла при высоких температурах.

Инертная, водородная или вакуумная среда. Возможно проведение кратковременных измерений в окислительных средах в присутствии изоляции. Диапазон измеряемых температур составляет 1400-1800°С, предельная рабочая температура порядка 2400°С.

Принцип работы датчика-термопары

Основной принцип работы температурных датчиков в системах автоматического управления – преобразование температуры в электрическое значение. Эффективность использования электрических величин обеспечена: удобством передачи на большие расстояния с высокой скоростью, возможностью их обратной трансформации, преобразования в цифровой код, чувствительностью измерений. Различают несколько типов устройств.

Принцип действия устройства основан на термоэлектрическом эффекте: если в замкнутом контуре из двух полупроводников или проводников места спаев (контактов) имеют разную температуру, то в нем возникает электрический ток. Спай, расположенный в среде, в которой происходит измерение температуры, называется «горячим», противоположный контакт – «холодным». Чем больше температура измеряемой среды отличается от температуры воздуха, тем больший электрический ток возникает. Эти измерительные устройства могут иметь изоляционный слой или изготавливаться без него. Во втором случае термопары могут использоваться только в схемах, не контактирующих с «землей».

Схематичное изображение термодатчика

Схематичное изображение термодатчика

Для чего нужна

Термопара применяется для преобразования термической энергии в электрический ток для электромагнитных катушек в газовых котлах и служит основным элементом защиты газ-контроля.

Она изготавливается из нескольких видов металла, устойчивых к максимальным температурам внутри камеры сгорания. Термопара работает вместе с автоматическим отсекающим газовым клапаном, который перекрывает подачу газа в топливный тракт.

Важно знать: защитная схема работы газовых котлов устроена таким образом, что при выходе из строя термоэлектрического элемента или внезапном исчезновении пламени происходит автоматическое срабатывание отсекающих клапанов и остановка подачи газа.

Термопара применяется для преобразования термической энергии в электрический ток для электромагнитных катушек в газовых котлах и служит основным элементом защиты газ-контроля.

Нихросил-нисиловые
  • Наиболее высокая точность работы из всех термопар, изготовленных из неблагородных металлов.
  • Повышенная стабильность функционирования при температурах 200-500°С. Гистерезис у таких термодатчиков значительно меньше, чем у хромель-алюмелевых датчиков.
  • Допускается работа в течение короткого времени при температуре 1250°С.
  • Рекомендуемая температура эксплуатации не превышает 1200°С, и зависит от диаметра электродов.
  • Этот тип термопары разработан недавно, на основе хромель-алюмелевых термодатчиков, которые могут быстро загрязняться различными примесями при повышенных температурах. Если спаять два электрода с кремнием, то можно заранее искусственно загрязнить датчик. Это позволит уменьшить риск будущего загрязнения при работе.

Температурные датчики на основе термопары разделяются по типу применяемых металлов.

Типы термопар

Минусами является высокая деформация электродов и нестабильная ЭДС.

Термопары. Определение, принцип работы, классификация

Термопа́ра — устройство основанное на преобразовании электрического сигнала в показатель температуры при изменении физических параметров веществ, из которых состоит прибор. Термопары широко распространены в промышленности, коммунальном хозяйстве, используются в массе бытовых приборов и автомобилях. От самых простых приборов (которые можно встретить в обычных утюгах) до сложных и дорогих (жаростойкие термопластины для измерения температуры на газовых турбинах) их можно встретить везде, где стоит задача измерения температуры.

  1. Как работает термопара?
  2. Особенности работы с термопарами для точных и высокоточных измерений
  3. Классификация термопар, их свойства и сферы применения


Действие прибора построено на эффекте Зеебека(термоэлектрической эффект). Представьте две проволоки соединенные между собой двумя спайками. Если нагревать/охлаждать одну спайку, то по кольцу потечет ток. Его вызывает термо-ЭДС, которая возникает за счет разности потенциалов между спайками.

Цифровые

Такие устройства дороже, по сравнению с аналоговыми, но их точность гораздо выше. Позволяют производить измерения в широком интервале, применяются в быту и технике.

Конструктивные составляющие цифрового термометра:

  • чувствительный элемент (обычно это терморезистор);
  • аналогово-цифровой преобразователь, который трансформирует электрический сигнал от терморезистора в цифровой;
  • дисплей;
  • элемент питания;
  • вводы-выводы сигналов, необходимые для взаимодействия с другими устройствами.

Конструктивные составляющие цифрового термометра:

Типы термопар

Технические требования к термопарам определяются ГОСТ 6616-94. Стандартные таблицы для термоэлектрических термометров — номинальные статические характеристики преобразования (НСХ), классы допуска и диапазоны измерений приведены в стандарте МЭК 60584-1,2 и в ГОСТ Р 8.585-2001.

  • платинородий-платиновые — ТПП13 — Тип R
  • платинородий-платиновые — ТПП10 — Тип S
  • платинородий-платинородиевые — ТПР — Тип B
  • железо-константановые (железо-медьникелевые) ТЖК — Тип J
  • медь-константановые (медь-медьникелевые) ТМКн — Тип Т
  • нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые) ТНН — Тип N.
  • хромель-алюмелевые — ТХА — Тип K
  • хромель-константановые ТХКн — Тип E
  • хромель-копелевые — ТХК — Тип L
  • медь-копелевые — ТМК — Тип М
  • сильх-силиновые — ТСС — Тип I
  • вольфрам и рений — вольфрамрениевые — ТВР — Тип А-1, А-2, А-3

Точный состав сплава термоэлектродов для термопар из неблагородных металлов в МЭК 60584-1 не приводится. НСХ для хромель-копелевых термопар ТХК и вольфрам-рениевых термопар определены только в ГОСТ Р 8.585-2001. В стандарте МЭК данные термопары отсутствуют. По этой причине характеристики импортных датчиков из этих металлов могут существенно отличаться от отечественных, например импортный Тип L и отечественный ТХК не взаимозаменяемы. При этом, как правило, импортное оборудование не рассчитано на отечественный стандарт.

В настоящее время стандарт МЭК 60584 пересматривается. Планируется введение в стандарт вольфрам-рениевых термопар типа А-1, НСХ для которых будет соответствовать российскому стандарту, и типа С по стандарту АСТМ [6] .

В 2008 г. МЭК ввел два новых типа термопар: золото-платиновые и платино-палладиевые. Новый стандарт МЭК 62460 устанавливает стандартные таблицы для этих термопар из чистых металлов. Аналогичный Российский стандарт пока отсутствует.

В 2008 г. МЭК ввел два новых типа термопар: золото-платиновые и платино-палладиевые. Новый стандарт МЭК 62460 устанавливает стандартные таблицы для этих термопар из чистых металлов. Аналогичный Российский стандарт пока отсутствует.

Отличия от датчика температуры

Помимо термопары, к автоматическому топливному клапану котла подключается термобаллон, отвечающий за отключение основной горелки при достижении заданной температуры теплоносителя. Внешне колбы элементов и медные соединительные трубки немного похожи. Несведущий домовладелец может запросто перепутать эти датчики.

Перечислим основные отличия температурного измерителя от термопары:

  • конструкция датчика – цилиндрический сильфон, сделанный в виде колбы из меди с запаянным концом;
  • термобаллон подключается к газовой автоматике более тонкой капиллярной трубкой, нежели электрогенерирующий датчик;
  • сама термочувствительная колба устанавливается внутрь погружной гильзы либо прячется под обшивкой возле водяной рубашки, а не крепится около запальника;
  • измеритель температуры не отсоединяется от автоматики вовсе либо отличается размером крепежной гайки.

Примечание. Термобаллон действует по другому принципу: при нагреве внутри колбы расширяется специальная жидкость. Давление по капилляру передается клапану автоматики, отключающему основную горелку. Пламя запальника не затухает.


Главный признак неисправности датчика пламени — фитиль тухнет одновременно с отпусканием кнопки. Иногда неполадка проявляется иначе – огонек на запальнике остается, но после розжига основной горелки подача горючего снова перекрывается и котел гаснет полностью. Причины таких проблем:

Спутниковая связь и радиолокация

Ещё одно сходство такого излучения со световыми лучами заключается в способности передавать информацию в режиме повышенной плотности. Т. е. один луч сверхвысокой частоты может транслировать до тысячи телефонных разговоров. Это свойство позволило с успехом применить СВЧ-излучение:

  • В радиолокации. Суть использования СВЧ в радиолокационном оборудовании заключается в том, что запущенные в пространство короткие и интенсивные импульсы частично отражаются от удалённых предметов, возвращаются и регистрируются специальными приборами. Интерес к такой технике обнаружения предметов возник ещё во время Второй Мировой войны, когда чрезвычайно остро стоял вопрос поиска.
  • В коммерческих линиях связи. Преимущество использования лучей сверхвысокой частоты в этой области заключается в траектории их распространения. В отличие от других волн, используемых для обеспечения связи, СВЧ проходят не по линии поверхности земли, имеющей множество неровностей, а по прямой от одной ретрансляционной станции к другой. Чтобы сигнал передавался быстро и качественно, такие станции располагают на большой высоте через каждые 50 км. Обустройство коммерческих линий обходится достаточно дорого, но цена полностью компенсируется низким потреблением электроэнергии и высокой информационной ёмкостью каналов связи.
Читайте также:  Как увеличить емкость конденсатора: проверенный способ соединения, формула, типы подключений

Ещё одна сфера, где эффективно используются СВЧ-волны — это спутниковая связь. На суше она обеспечивается с помощью системы радиобашен, транслирующих сигналы на большие расстояния. В случае с межконтинентальными переговорами роль ретрансляторов выполняют искусственные спутники, располагающиеся на геостационарной орбите Земли. В каждом спутнике сосредотачиваются тысячи каналов связи, гарантирующих одновременную передачу высококачественных телефонных и телевизионных сигналов пользователям современных устройств.

  • Металлической камеры. В неё помещают продукты для приготовления.
  • СВЧ-излучателя (магнетрона).
  • Трансформатора. Он обеспечивает магнетрон высоковольтным питанием.
  • Волновода. По нему излучение от магнетрона передаётся к камере.

Свойства сверхвысокочастотных волн

В современной жизни сверхвысокочастотные волны используются весьма активно. Взгляните на ваш сотовый телефон – он работает в диапазоне сверхвысокочастотного излучения.

Все технологии, такие как Wi-Fi, беспроводной Wi-Max, 3G, 4G, LTE (Long Term Evolution), радиоинтерфейс малого радиуса действия Bluetooth, системы радиолокации и радионавигации используют сверхвысокочастотные (СВЧ) волны.

СВЧ нашли применение в промышленности и медицине. По-другому СВЧ волны ещё называют микроволнами. Работа бытовой микроволновой печи также основана на применении СВЧ излучения.

Микроволны – это те же самые радиоволны, но длина волны у таких волн составляет от десятков сантиметров до миллиметра. Микроволны занимают промежуточное место между ультракороткими волнами и излучением инфракрасного диапазона. Такое промежуточное положение оказывает влияние и на свойства микроволн. Микроволновое излучение обладает свойствами, как радиоволн, так и световых волн. Например, СВЧ излучению присущи качества видимого света и инфракрасного электромагнитного излучения.


Станция мобильной сети стандарта LTE

Микроволны, длина волны которых составляет сантиметры, при высоких уровнях излучения способны оказывать биологическое воздействие. Кроме этого сантиметровые волны хуже проходят через здания, чем дециметровые.

СВЧ излучение можно концентрировать в узконаправленный луч. Это свойство напрямую сказывается на конструкции приёмных и передающих антенн, работающих в диапазоне СВЧ. Никого не удивит вогнутая параболическая антенна спутникового телевидения, принимающая высокочастотный сигнал, словно вогнутое зеркало, собирающее световые лучи.

Микроволны подобно свету распространяются по прямой и перекрываются твёрдыми объектами, наподобие того, как свет не проходит сквозь непрозрачные тела. Так, если в квартире развернуть локальную Wi-Fi сеть, то в направлении, где радиоволна встретит на своём пути препятствия, вроде перегородок или перекрытий, сигнал сети будет меньше, чем в направлении более свободном от преград.

Излучение от базовых станций сотовой связи GSM довольно сильно ослабляют сосновые леса, так как размеры и длина иголок приблизительно равны половине длины волны, и иголки служат своеобразными приёмными антеннами, тем самым ослабляя электромагнитное поле. Также на ослабление сигнала станций влияют и густые тропические леса. С ростом частоты увеличивается затухание СВЧ–излучения при перекрытии его естественными препятствиями.


Аппаратуру сотовой связи можно обнаружить даже на столбах электроснабжения

Распространение микроволн в свободном пространстве, например, вдоль поверхности земли ограничено горизонтом, в противоположность длинным волнам, которые могут огибать земной шар за счёт отражения в слоях ионосферы.

Данное свойство СВЧ излучения используется в сотовой связи. Область обслуживания делиться на соты, в которых действует базовая станция, работающая на своей частоте. Соседняя базовая станция работает уже на другой частоте, чтобы рядом расположенные станции не создавали помех друг другу. Далее происходит так называемое повторное использование радиочастот.

Поскольку излучение станции перекрывается горизонтом, то на некотором удалении можно установить станцию, работающую на той же частоте. В результате мешать такие станции друг другу не будут. Получается, что экономиться полоса радиочастот, используемая сетью связи.


Антенны базовых станций GSM

Радиочастотный спектр является природным, ограниченным ресурсом, наподобие нефти или газа. Распределением частот в России занимается государственная комиссия по радиочастотам – ГКРЧ. Чтобы получить разрешение на развёртывание сетей беспроводного доступа порой ведутся настоящие “корпоративные войны” между операторами мобильных сетей связи.

Почему микроволновое излучение используется в системах радиосвязи, если оно не обладает такой дальностью распространения, как, например, длинные волны?

Причина в том, что чем выше частота излучения, тем больше информации можно передавать с его помощью. К примеру, многие знают, что оптоволоконный кабель обладает чрезвычайно высокой скоростью передачи информации исчисляемой терабитами в секунду.

Все высокоскоростные телекоммуникационные магистрали используют оптоволокно. В качестве переносчика информации здесь служит свет, частота электромагнитной волны которого несоизмеримо выше, чем у микроволн. Микроволны в свою очередь имеют свойства радиоволн и беспрепятственно распространяются в пространстве. Световой и лазерные лучи сильно рассеиваются в атмосфере и поэтому не могут быть использованы в мобильных системах связи.

У многих дома на кухне есть СВЧ–печь (микроволновка), с помощью которой разогревают пищу. Работа данного устройства основана на поляризационных эффектах микроволнового излучения. Следует отметить, что разогрев объектов, с помощью СВЧ–волн происходит в большей степени изнутри, в отличие от инфракрасного излучения, которое разогревает объект снаружи внутрь. Поэтому нужно понимать, что разогрев в обычной и СВЧ–печи происходит по-разному. Также микроволновое излучение, например, на частоте 2,45 ГГц способно проникать внутрь тела на несколько сантиметров, а производимый нагрев ощущается при плотности мощности в 2050 мВт/см 2 при действии излучения в течение нескольких секунд. Понятно, что мощное СВЧ–излучение может вызывать внутренние ожоги, так как разогрев происходит изнутри.

На частоте работы микроволновки, равной 2,45 Гигагерцам, обычная вода способна максимально поглощать энергию сверхвысокочастотных волн и преобразовывать её в тепло, что, собственно, и происходит в микроволновке.

В то время пока идут неутихающие споры о вреде СВЧ-излучения военные уже имеют возможность проверить на деле так называемую “лучевую пушку”. Так в Соединённых штатах разработана установка, которая “стреляет” узконаправленным СВЧ-лучом.

Установка на вид представляет собой что-то вроде параболической антенны, только невогнутой, а плоской. Диаметр антенны довольно большой – это и понятно, ведь необходимо сконцентрировать СВЧ-излучение в узконаправленный луч на большое расстояние. СВЧ-пушка работает на частоте 95 Гигагерц, а её эффективная дальность “стрельбы” составляет около 1 километра. По заявлениям создателей – это не предел. Вся установка базируется на армейском хаммере.

По словам разработчиков, данное устройство не представляет смертельной угрозы и будет применяться для разгона демонстраций. Мощность излучения такова, что при попадании человека в фокус луча, у него возникает сильное жжение кожи. По словам тех, кто попадал под такой луч, кожа будто бы разогревается очень горячим воздухом. При этом возникает естественное желание укрыться, сбежать от такого эффекта.

Действие данного устройства основано на том, что микроволновое излучение частотой 95 ГГц проникает на пол миллиметра в слой кожи и вызывает локальный нагрев за доли секунды. Этого достаточно, чтобы человек, оказавшийся под прицелом, ощутил боль и жжение поверхности кожи. Аналогичный принцип используется и для разогрева пищи в микроволновой печи, только в микроволновке СВЧ-излучение поглощается разогреваемой пищей и практически не выходит за пределы камеры.

Читайте также:  Классификация электродвигателей: типы агрегатов, назначение асинхронного и синхронного оборудования

На данный момент биологическое воздействие микроволнового излучения до конца не изучено. Поэтому, чтобы не говорили создатели о том, что СВЧ-пушка не вредна для здоровья, она может причинить вред органам и тканям человеческого тела.

Стоит отметить, что СВЧ-излучение наиболее вредно для органов с медленной циркуляцией тепла – это ткани головного мозга и глаз. Ткани мозга не имеют болевых рецепторов, и почувствовать явное воздействие излучения не удастся. Также с трудом вериться, что на разработку “отпугивателя демонстрантов” будут отпускаться немалые деньги – 120 миллионов долларов. Естественно, это военная разработка. Кроме этого нет особых преград, чтобы увеличить мощность высокочастотного излучения пушки до такого уровня, когда его уже можно использовать в качестве поражающего оружия. Также при желании её можно сделать и более компактной.

В планах военных создать летающую версию СВЧ-пушки. Наверняка её установят на какой-нибудь беспилотник и будут управлять им удалённо.

На частоте работы микроволновки, равной 2,45 Гигагерцам, обычная вода способна максимально поглощать энергию сверхвысокочастотных волн и преобразовывать её в тепло, что, собственно, и происходит в микроволновке.

Подкатегории микроволн

Микроволны делятся на три диапазона:

  • крайне высокая частота (30-300 Гц). Если показатели выше, то мы сталкиваемся с дальним ИК-светом, именуемым еще терагерцовым излучением. Эту полосу чаще всего задействуют в радиоастрономии и дистанционном зондировании.
  • сверхвысокая частота (3-30 ГГц). Ее именуют сантиметровой полосой, потому что частота колеблется между 10-1 см. Диапазон применим в радиолокационных передатчиках, микроволновках, спутниках связи и коротких наземных каналах для транспортировки данных.
  • Ультрасверхвысокая частота (300МГц – 3ГГц) – дециметровый диапазон, так как длина волн колеблется от 10 см к 1 м. Они присутствуют в телевизионном вещании, беспроводной телефонной связи, рациях, спутниках и т.д.

Полость магнетрона, задействованная в микроволновой печи

Применение сверхвысоких частот в области связи

Как мы уже гласили, расшифровка СВЧ – сверхвысокие частоты. Инженеры и техники решили применить эти радиоволны в связи. Во всех странах интенсивно употребляют коммерческие полосы связи, основанные на передаче волн больших диапазонов. Такие радиосигналы идут не по кривой земной поверхности, а по прямой, через ретрансляционные станции связи, расположенные на высотах с интервалами около пятидесяти км.

Для передачи не необходимы огромные издержки электроэнергии, потому что СВЧ-волны допускают узконаправленные прием и передачу, также на станциях усиливаются электрическими усилителями перед ретрансляцией. Система антенн, башен, передатчиков и приемников кажется дорогой, но все это окупается информационной емкостью схожих каналов связи.

Система радиобашен для ретрансляции СВЧ-сигналов на огромные расстояния может существовать лишь на суше. Для межконтинентальных переговоров употребляют искусственные спутники, которые находятся на геостационарной орбите Земли и делают функции ретрансляторов. Каждый спутник предоставляет несколько тыщ каналов связи высочайшего свойства своим клиентам для передачи телевизионных и телефонных сигналов сразу.

ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ:

Двумя главными недостатками триода как СВЧ-генератора являются конечное время пролета электрона и межэлектродная емкость. Первый связан с тем, что электрону требуется некоторое (хотя и малое) время, чтобы пролететь между электродами вакуумной лампы. За это время СВЧ-поле успевает изменить свое направление на обратное, так что и электрон вынужден повернуть обратно, не долетев до другого электрода. В результате электроны без всякой пользы колеблются внутри лампы, не отдавая свою энергию в колебательный контур внешней цепи.

Спектр электромагнитных излучений СВЧ-диапазона

Род излученияДлина волныЧастота (Гц)
Микроволны метровые1 – 10 м3×10 7 – 3×10 8
Микроволны дециметровые10 — 100 см3×10 8 — 3×10 9
Микроволны сантиметровые1 — 10 см3×10 9 — 3×10 10
Микроволны миллиметровые1 — 10 мм3×10 10 — 3×10 11

Выделение СВЧ-диапазона электромагнитных излучений неслучайно, так как принцип действия подавляющего большинства радиотехнических систем, используемых в Вооруженных Силах РБ для радиосвязи, локации и т.д., основан на применении электромагнитных излучений в диапазоне сверхвысоких частот. Кроме того, интенсификация разработок в области передачи и трансформации энергии приводит к появлению новых, более мощных по спектрально-энергетическим характеристикам электромагнитных излучений СВЧ-диапазона.

Таким образом, СВЧ ЭМИ – наиболее встречающийся вид электромагнитных излучений в настоящее время.

К волновым свойствам cверхвысокочастотного электромагнитного поля(СВЧ ЭМП) относят отражение, преломление, дифракцию, интерференцию, а также скорость распространения электромагнитных излучений в пространстве, частоту колебаний и длину волны.

В пустоте электромагнитные волны (ЭМВ) всех частот распространяются с одинаковой скоростью — 300 000 км/сек.

Расстояние, которое волна проходит за время полного колебания называется длиной волны, единица измерения — метр. Длина микроволны измеряется в дециметрах, сантиметрах, миллиметрах.

Частота колебаний измеряется в Герцах (Гц). 1 Гц — это одно колебание в секунду.

Частоты колебаний ЭМВ СВЧ — диапазона находятся в пределах от 3×10 4 до 3×10 11 Гц.

Биологическая эффективность ЭМИ различных диапазонов определяется также энергетической характеристикой — плотностью потока энергии (ППЭ), прежнее название — плотность потока мощности. ППЭ выражается количеством энергии, проходящей в 1 сек через 1 см 2 поверхности перпендикулярно направлению распространения энергии и измеряется в ваттах на 1 м 2 . В медико-биологической практике используются величины в тысячу и в миллион раз меньшие ((мВт/см 2 и мквт/см 2 ).

Для характеристики скорости интенсивности ЭМИ при их распределении в поглощающей среде, введено понятие о так называемой глубине проникновения. Глубиной проникновения ЭМВ называется расстояние, на котором интенсивность волны убывает в 2,7 раза. Единица измерения — метры.

Энергия, проходящая внутрь организма, равна энергии падающей волны за вычетом энергии отраженной волны. От однородной среды отражается около 60% энергии падающей волны и только около 40% проходит внутрь объекта. Около 70% энергии проходящей волны поглощается в пределах области, ограниченной глубиной проникновения.

Ткани с более высоким (более 80%) содержанием воды — кожа, кровь, мышцы — значительно лучше поглощают энергию СВЧ ЭМП (избирательность поражения), чем ткани с низким содержанием воды — кости, жир и др. Электромагнитное поле характеризуется векторами напряженности электрического (Е) и магнитного (Н) полей. При частоте колебаний ниже 300 мГц в качестве характеристики ЭМ-поля принимается силовая характеристика – напряженность электрического поля, В/м или напряженность магнитного поля – А/м. При частоте колебаний выше 300 мГц поле оценивается энергетической характеристикой – плотность потока энергии (ППЭ), Вт/м кв. (или ее производными мВт/см 2 , мкВт/см 2 ).

Для количественной оценки поглощенной энергии введено понятие удельной поглощенной мощности – УПМ (SAR – specific absorpion rate – американских авторов). Под УПМ понимается количество поглощаемой мощности приходящейся на единицу массы тела, то есть – это усредненная величина, характеризующая скорость поступления энергии СВЧ-поля в поглощающее тело и представляемая как мощность отнесенная к объему – Вт/м 3 (мВт/см 3 ) или массе – Вт/кг (мВт/г). Установлено, что предельной для термо-регуляции человека является 4 Вт/кг, а ПДУ – 0,4 Вт/кг.

Проблема метрологической оценки поглощенной человеком ЭМ мощности (и энергии) достаточно сложна. В настоящее время аппаратура для измерений поглощенной ЭМ мощности человеком, облученным СВЧ-полем в свободном пространстве, пока еще не разработана.

Оценку воздействия проводят по измеренной падающей на человека ППЭ и на ее основе методами математических моделей рассчитывают УПМ.

Для измерений падающей мощности непрерывных СВЧ-излучений используются отечественные измерители типа ПЗ-9 и ПЗ-16, которые также обеспечивают возможность оценки средней мощности импульсных излучений.

Характерная особенность микроволнового нагревания объектов связана со значительно большей глубиной проникновения СВЧ ЭМП, чем таких тепловых факторов, как, например, инфракрасные лучи. Глубина проникновения микроволн равна 1/10 длины волны, то есть она тем меньше, чем меньше длина волны.

Поглощение же энергии тканями, наоборот, увеличивается с уменьшением длины волны, поэтому ЭМВ сантиметрового и миллиметрового диапазона при высокой ППЭ быстро нагревают поверхность тела и могут вызвать тяжелые ожоги.

Читайте также:  Какой стабилизатор напряжения выбрать для частного дома: советы профессионалов и обзор лучших брендов

При определенной длине волны (дециметровой диапазон) отмечается даже более выраженное нагревание глубинных тканей по сравнению с кожей – селективность действия СВЧ ЭМП.

Поглощенная средой энергия ЭМП переходит в тепло — это неспецифическое или тепловое действие СВЧ ЭМП на живой организм. При этом по мнению большинства авторов, поглощение энергии микроволн вызывает изменение пространственной ориентации дипольных молекул, прежде всего усиление колебаний диполей воды. Последние передают часть энергии окружающим молекулам, также приходящим в движение, в результате чего энергия СВЧ ЭМП переходит в тепловую, благодаря чему и происходит нагревание объекта.

В ответ на нагревание в облученном участке увеличивается циркуляция крови, что рассматривается как приспособительная реакция, осуществляемая благодаря включению механизмов терморегуляции ЦНС.

Разные органы и ткани в зависимости от их диэлектрических свойств, глубины расположения, состояния местной терморегуляции, активности процессов регенерации, длины волны, мощности и времени облучения обладают различной чувствительностью к СВЧ ЭМП. Наиболее чувствительны к тепловому действию СВЧ ЭМП ткани и органы плохо вас-

куляризованные, например, хрусталик глаза, гонады, поджелудочная железа, а также полые органы, содержащие жидкость — кишечник, мочевой пузырь и др. Это объясняется тем, что циркуляция крови играет роль охлаждающего фактора, а кровь и лимфа — теплоносители.

В связи с этим становится понятным, почему облучение всего организма более опасно, чем локальное, так как при общем облучении нет возможности по достаточно быстрому отводу тепла от участков с более высокой температурой. Существует возрастная чувствительность к микроволнам: молодые живые организмы более подвержены воздействию СВЧ ЭМП. Доказана и видовая зависимость, при этом имеет значение соотношение поверхности тела и его массы, а также наличие обратной зависимости между размерами и чувствительностью живого организма.

Следует отметить, что внутренние органы и мозг крупных живых

организмов более экранированы. Пороговые интенсивности теплового действия СВЧ ЭМП находятся в пределах 10—15 мВт/см 2 . Ниже этого уровня общее и местное облучение не вызывает у человека ощущения тепла.

При ППЭ порядка 100 мВт/см 2 и выше возникает выраженный тепловой эффект, приводящий к развитию острых поражений различной степени тяжести.

При ППЭ ниже 10 мВт/см 2 СВЧ ЭМП воздействует на живой организм по механизму нетеплового (олиготермического) или специфического действия, физическая природа которого не столь ясна, как теплового — неспецифического.

В изучении специфического действия СВЧ ЭМП большая заслуга советских ученых: З.В. Гордона, И.Р. Петрова, А.В. Триумфова и др. Предложен ряд теорий, объясняющих специфическое действие СВЧ ЭМП:

1. Теория «точечного» нагревания — некоторые микроструктуры, например, липидные оболочки клеток, могут нагреваться значительно быстрее, чем рядом расположенные.

2. Теория «жемчужных цепей» — выстраивание в цепочки и ориентация вдоль силовых линий ЭМП твердых частиц или капелек жидкости в другой жидкости, вследствие индуцирования зарядов в этих частицах.

3. Теория нетермической денатурации белка — разрывы белковых цепей, углеводных

связей вследствие перехода молекул в возбужденное состояние.

4. Теория резонансного поглощения энергии белками, детектирование СВЧ волн элементами клеточных мембран — колебания молекул белка в соответствии с частотой СВЧ ЭМП, что отражается на функции органелл, ферментов и др.

5. Теория изменения возбудимости облученных рецепторов, содержания биологически активных веществ, гормонов и витаминов, изменение процессов синаптической передачи импульсов.

Ряд ученых предполагают также, что в механизме действия СВЧ ЭМП на живой организм важную роль играют:

1. Изменения калий-натриевого градиента, вследствие различного влияния микроволн на степень гидратации ионов натрия и калия.

2. Изменение проницаемости клеточных мембран.

3. Нарушения электромагнитной регуляции функций (наряду с нервно-

рефлекторными и гуморальными).

4. Нарушения в информационно-управленческой деятельности организма вследствие взаимодействия ЭМП с электрическими и магнитными полями биотоков и перестройки частоты генератора биотоков на частоты внешнего ЭМП (явление «затягивания»).

5. Изменения колебаний молекул (диполей) воды под действием ЭМП с нарушением обменных процессов в клетке, протекающих в водной среде.

1. СВЧ ЭМП (микроволны) могут оказывать 2 вида воздействия на биологические

объекты — тепловое или неспецифическое и нетепловое или специфическое.

2. При большой интенсивности микроволн тепловой эффект перекрывает специфическое действие СВЧ ЭМП.

3. Сущность нетеплового (специфического) влияния СВЧ ЭМП на организм еще полностью не изучена. Из возможных вариантов действия микроволн малых мощностей наиболее значимы: механохимические с нарушением кинетики биохимических реакций; воздействие на структуру белковых молекул; влияние на ионы клеточных электролитов путем изменения траектории их движения; взаимодействие с собственными электрическими и магнитными полями организма.

Вышеизложенные изменения на субмолекулярном и молекулярном уровнях закономерно приводят к изменениям на более высоких уровнях — клеточном, тканевом, органном, организменном. В реакции включаются рефлекторные механизмы, развивается сложная цепь приспособительных реакций и патологических изменений, в формировании которых ведущая роль принадлежит ЦНС (рис. 1).

I этап – функциональные (функционально-морфологические) изменения в клетках, прежде всего в клетках ЦНС, развивающиеся в результате непосредственного воздействия СВЧ ЭМ поля
II этап – изменение рефлекторно-гуморальной регуляции функций внутренних органов и обмена веществ
III этап – преимущественно опосредованное, вторичное изменение функций (возможны и органические изменения) внутренних органов

Рис. 1 Этапы формирования поражений СВЧ ЭМИ

Приспособительные реакции организма условно подразделяются на специфические инеспецифические. Приспособительные специфические реакции направлены на борьбу с перегреванием. Это расширение сосудов, тахикардия, тахипноэ, усиление потоотделения и др.

Неспецифические приспособительные реакции связаны с рефлекторным ответом ЦНС и желез внутренней секреции. В начале воздействия СВЧ-поля или под влиянием малых интенсивностей его наступает стимуляция рефлекторной деятельности ЦНС, желез внутренней секреции и обмена веществ, а при дальнейшем воздействии – их угнетение. Патологические

реакции проявляются в виде очагов кровоизлияния, катаракты, дегенеративных изменений семенников, язвы желудка, неврозов, нейро-циркуляторной дистонии, гипертермии и др.

Предполагают, что патологические реакции — следствие:

1. Непосредственного воздействия СВЧ-поля на ткани (структурные и функциональные изменения клеток вследствие перенагревания).

2. Первичного возникновения изменений нервной системы как в результате непосредственного влияния на рецепторный аппарат и головной мозг, так и в результате ненормальных рефлекторных и гуморальных воздействий.

3. Эндокринно-гуморальных сдвигов и изменения деятельности ряда внутренних органов. На схеме 1 представлен патогенез влияния сверхвысокочастотного электромагнитного поля на организм человека.

Таковы основные патогенетические механизмы влияния СВЧ ЭМП на организм человека. Имеется также ряд особенностей биологического действия микроволн, которые необходимо учитывать. К ним относится относительно быстрая обратимость большинства изменений, возникающих в организме, избирательность действия микроволн, адаптация организма к облучению, явление биологической кумуляции.

Процессы адаптации и кумуляции находятся в сложных взаимоотношениях. Может наблюдаться как переход от адаптации к кумуляции, так и параллельное развитие кумулятивных и адаптационных явлений. Сейчас доказана роль интервалов между воздействиями

для направленности сдвигов: при малых интервалах между воздействиями наблюдались кумулятивные эффекты, при увеличении интервалов развивались явления адаптации.

Следует учитывать, что при работе генераторов ЭМП СВЧ на организм человека кроме микроволн, патологическое воздействие могут оказывать и другие факторы: шум, высокая температура, мягкие рентгеновские лучи и т. д. Влияние температурного фактора окружающей среды было отмечено еще французскими врачами. Ими установлено, что работники радиолокационных станций, расположенных в Алжире, чаще жаловались на головные боли,

снижение работоспособности, чем аналогичные контингенты в метрополии.

Поэтому при объяснении влияния микроволн на организм человека важно учитывать особенности климата. Существенное значение имеет также реактивность и сопротивляемость организма.

Частоты колебаний ЭМВ СВЧ — диапазона находятся в пределах от 3×10 4 до 3×10 11 Гц.

Ссылка на основную публикацию
×
×