MISURE ELETTRICHE
Corsi di DIPLOMA UNIVERSITARIO
• TECNICO DI LABORATORIO BIOMEDICO
corso integrato di FISICA, STATISTICA, INFORMATICA
STRUMENTAZIONE ELETTRONICA DI MISURA
• TECNICO AUDIOMETRISTA
corso integrato di FISICA, STATISTICA, INFORMATICA
MISURE ELETTRICHE
• TECNICO AUDIOPROTESISTA
corso integrato di AUDIOPROTESI III°
MISURE ELETTRICHE
SENSORI (parte Ia)
SENSORI
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1
SENSORI: GENERALITA'
strumentazione diagnostica
ottenere informazioni sullo stato fisiologico del paziente
mediante misura di parametri fisici correlati alle funzioni di
organi e apparati
parametri fisici:
• differenze di potenziale elettrico
• temperature
• concentrazioni chimiche
• forze e pressioni
sensore (trasduttore):
componente fisico che altera proprie caratteristiche e
fornisce segnale elettrico che varia in relazione con il
parametro fisico da rilevare
SENSORI
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MISURE ELETTRICHE
2
SENSORI: GENERALITA'
scelta del sensore:
• campo di variazione
• rapidità di variazione
• condizioni ambientali
• condizioni operative
parametro fisico
sensore specifico:
• principio di funzionamento
• intervallo di misura
• precisione della misura
• presenza di disturbi (rumore)
• ingombro
• costo
• possibilità di sterilizzazione
• compatibilità con strutture biologiche
• necessità e modalità di alimentazione
• caratteristiche amplificatore
SENSORI
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MISURE ELETTRICHE
3
SENSORI: GENERALITA'
sensori:
• elettrodi
• sensori di temperatura
• sensori chimici
- elettrodi di riferimento
- elettrodo pO2
- elettrodi a membrana
- misura pH
- misura pCO2
• sensori ottici
• sensori meccanici
- sensore di forza
- sensore di pressione
- sensori di suono
- sensore di accelerazione
SENSORI
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1
ELETTRODI
elettrodi: elementi di materiale conduttore
(metallo o soluzione elettrolitica)
acquisizione diretta del parametro fisico
(potenziali elettrici locali)
potenziali elettrici generati dal contatto elettrodo-materiale per:
diffusione ionica (potenziali di diffusione)
caratteristiche intrinseche dei materiali (potenziali di giunzione)
ampiezze potenziali ~ 100 mV
ampiezze segnali biologici prelevati 1 mV ÷ 1 mV
SENSORI
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2
ELETTRODI
Ag-AgCl
KCl
pompetta
plastica
ago
adesivo
conduttore
isolato
Ag - AgCl
pasta
conduttrice
tessuto
pelle
pelle
Vari tipi di elettrodi utilizzati nella pratica clinica
SENSORI
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3
ELETTRODI
polarizzazione:
AMPLIFICATORE
ELETTRODO
ELETTRODI
METALLICI
SOLUZIONE
++++ +++ +
– – – – – –– –
SOLUZIONE
ELETTRODO
–
non superaBbarriera
elettroni di conduzione
e–
ELETTRODO
e–
–
–
e
e
e – e–
–
e e–
e– e–
–
e– e e– e– e–
A+ B– A+ A+ B–
A+
–
B– + B–
B– + B A+ B–
A
A+ B– A
SOLUZIONE
SENSORI
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– – –
–
e
e
e
e
–
–
e e– e e–
e–
+ e – e–
A+ B– – A+ B–
A+
–
–
B
–
–
B
B + A+ B–
B
+
A
A+ B– A
SOLUZIONE A
precipitato
e–
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ELETTRODI
polarizzazione:
d.d.p. esterna
rimuove / accentua polarizzazione
elettrodo Ag-AgCl:
soluzione H2O, NaCl
Ag+ + Cl–
AgCl
H2O, ioni Na+, ioni Cl–
formazione strato AgCl
ELETTRODO Ag
• scarso aumento RAg-soluzione
• polarizzazione ridotta
• limitata ossidazione elettrodo
• assenza precipitato
strato AgCl
SOLUZIONE NaCl
H2O
SENSORI
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ELETTRODI
conduttore
isolato
plastica
Ag - AgCl
adesivo
pasta
conduttore
isolato
plastica
Pt
adesivo
pasta
-+ -+ +- +-
-+ +- +-+tessuto
pelle
Cl– + Ag
doppio strato
elettrico
AgCl + e–
processi contemporanei
(niente accumulo carica)
SENSORI
9
tessuto
4 OH–
pelle
2 H2O + O2 + 4e–
4 H+ + 4e–
2 H2
gas
• resistenza elevata
• polarizzazione cariche
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ELETTRODI
metallo
circuito elettrico equivalente
giunzione metallo–elettrolita
Cp
Rp
C
R1
Ro
induttanza L 0
effetti da polarizzazione
Rp , C p
elettrolita
SENSORI
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ELETTRODI
AMPLIFICATORE
d.d.p. stadio ingresso amplificatore
misura corretta:
Rcontatto elettrodo << Ringresso amplificatore
• area contatto
• conducibilità mezzo (concentrazione ionica)
elettrodi KCl (Vmembrana cellulare ) Rcontatto ~ 1÷10 MW (dimensioni < 1mm2 )
elettrodi cutanei Rcontatto ~ 10÷100 kW (dimensioni 10÷100 mm2)
pasta: riduzione Rcontatto
SENSORI
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SENSORI DI TEMPERATURA
termocoppie
metallo 1
giunzione
metallo 2
V
V = K1-2 Tgiunzione
sensibilità termoelettrica dei due metalli (mV/°K)
voltmetro: elevata Ringresso
dimensioni: cm ÷ mm
SENSORI
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1
SENSORI CHIMICI
misure su sangue e liquidi biologici
- misura O2 e CO2
- misura pH (concentrazione H+)
analisi composizione chimica di gas
- misura O2 , CO2 , N2 aria inspirata ed espirata
• variazioni di colore (sensori ottici)
• trasmissione calore (sensori di temperatura)
• trasmissione luce (sensori ottici)
• celle elettrochimiche (elettrodi)
diffusione ioni
d.d.p.
• altri ...
SENSORI
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2
SENSORI CHIMICI
elettrodi di riferimento
VOLTMETRO
• elettrodo al calomelano (HgCl2)
• Hg / Hg-HgCl2 / soluzione KCl satura
• V= + 0.25 volt
rispetto elettrodo all'idrogeno
(riferimento assoluto)
ELETTRODO
DI MISURA
KCl
HgCl2
• ingombro
Hg
SOLUZIONE
ELETTRODO DI
RIFERIMENTO
SENSORI
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SENSORI CHIMICI
elettrodo pO2
O2 in soluzione, in miscela gas
• pO2 ~ corrente in Pt
MICROAMPEROMETRO
• e– prelevati da Pt
+
KCl
• corrente per soluzione a
contatto con l'aria
(20.8% O2
pO2 = 158 mmHg)
Ag-AgCl
i ~ 1 mA
SOLUZIONE
ELETTRODO DI
RIFERIMENTO
SENSORI
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• Pt a 0.7 V rispetto elettrodo
di riferimento
FILO DI
PLATINO
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