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低温生物体导热测量——探针法 ——赵宇炜（S311030005） 在冷冻装置的设计和一些生物材料的冷冻处理过程中，尤其是在低温外科手术和移植器官的低温保存过程中，生物体材料导热系数的掌握显得尤为重要。由于生物材料的物性随组分、类型和温度变化及低温下伴随相变过程等给测定带来诸多困难，在传统应用中，在很多情况下都是用水或者冰来代替。B.Karunakar[1]等人用探针法测量了不同成分及含量的虾肉在30℃~-30℃温度范围的导热系数；张海峰[2]用探针法测量了新鲜猪肉在20℃~-50℃温度范围的导热系数；黄国纲[3]等人用探针法测量了-35℃~-90℃下猪主动脉的导热系数；周国燕[4]等用探针法测量了-10℃~-50℃下猪脂肪、猪瘦肉、牛肉和鱼肉的导热系数。实验结果均表明，低温下，生物质的导热系数并不能用冰的导热系数来替代，所以研究低温条件下生物体的导热系数十分必要。 一、引言 实验测量生物材料的导热系数的方法中，一般分为两大类，即稳态法与非稳态法[5]。 稳态法：是指在待测试样温度分布达到稳定后进行实验测量，其测量依据是稳态的导热微分方程，能直接测得导热系数。这种方法的特点是：实验公式简单，实验时间长并且需要测量导热量（直接或间接）和若干点的温度； 非稳态法：是指在测量过程中试样的温度随时间变化，其测量依据是非稳态导热微分方程，一般只能直接测得导温系数，间接算得导热系数。这种发法的特点是：实验公式一般不如稳态法简单、直观，实验时间短，需要测量试样上若干点的温度随时间的变化规律，一般不必测量导热量[6]。 二、生物体导热测量方法 对于生物体而言，当时间较长时，其性质会发生较大变化，所以用稳态法测量低温生物体导热系数并不合适。 在非稳态法测量方法中，比较广泛使用的是探针法。采用探针法进行测量时具有以下几个优点[4]： 1.实验测量时间短（5~60s）； 2.样品的温升较小； 3.同一样品可在不同温度时测量，也能在同一温度重复测量多次。 需要注意的是探针法一般不在稍低于冻结点的温度范围内测量，这是因为在此温度范围内冰晶的形成会对其测量产生较大影响，因此而产生的误差已大于在该温度范围内对导热系数的预测法而产生的误差。 二、生物体导热测量方法 1. 探针 热探针为一头带尖头且可以方便刺入软性材料的细长针状探头。热探针内缠绕有加热丝，里面安置有一根热电偶，在初始状态下，热探针与被测材料平衡地处在同一温度，当对热探针内的加热丝施加一恒定电压时，热探针就相当于一个单位长度上产生恒定功率为q的线热源。 三、实验装置、测量原理及测量 图1 探针示意图 1 2 3 I I 1．不锈钢针管；2.康铜加热丝；3.T型铜-康铜热电偶 探针管使用不锈钢针管(长度53mm, 外径0.81mm ); 加热丝采用电阻随温度变化小的康铜(直径0.0762 mm ) , 加热丝对折后插进针管中, 长度跟针管一致, 加热丝表面涂有聚四氟乙烯绝缘层; 热电偶采用T 型铜- 康铜绝缘热电偶(直径0.0762 mm ), 布置在针管内表面的中间位置; 在用传统数据处理方法测量液体导热系数的实验中，需要作以下假定： (1)被测介质均匀各向同性且其物性为常数； (2)被测介质无限大且具有均匀一致的初始温度； (3)加热功率恒定； (4)热探针无限长； (5)热探针无限细亦即具有零截面积； (6)热探针热容量为零。 在上前提下，才能建立热探针导热的微分方程，并且对微分方程的精确解进行进一步的简化 2. 实验测量原理 探针法测量材料导热系数是基于线热源理论, 线热源可以看成是无数点热源组成, 每个点热源以恒定功率持续放热。经过一段时间t, 由于热传导, 初始状态处于平衡状态的介质(常物性)中, 离线热源距离为r处的温升为( Carslaw and Jaeger, 1959)： ……（1） 三、实验装置、测量原理及测量 3. 实验测量系统 实验测量系统如图2所示。 三、实验装置、测量原理及测量 图2 实验系统示意图 1 2 3 1．探针；2.待测材料；3.程序降温仪 使用探针测量时必须考虑其实际模型与理论模型不一致引起的偏差, 通常需用已知导热系数的标准样品进行标定 4. 实验测量 对于不同的实验对象，测量的具体方式可能不同，但原理一致，现举测量牛肉、猪肉和鱼肉的实验加以说明[4]。 先把要测量的生物材料切成底面边长为30mm，长为65mm的长方体，将探针插入其中心；把插好探针的材料放到程序降温仪中，降到所设置温度的对应