|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
ГРАДУИРОВКА ТЕРМОЭЛЕМЕНТА В КАЧЕСТВЕ ТЕРМОМЕТРА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ТЕРМО-ЭДС
Задачи 1. Между плоскими электродами площадью S = 100 см2 каждый, находится 2. Термопара из Рb – Ag создает термоэлектродвижущую силу 3 мкВ при разности температур спаев в 1 К. Можно ли такой термопарой уверенно установить повышение температуры тела человека от 36, 5 до 37, 0 0 С, если потенциометр позволяет измерить напряжение с точностью до 1 мкВ? 3. Во сколько раз изменится сопротивление полупроводника при уменьшении температуры вдвое, если его начальная температура Т = 400 К, ширина запрещенной зоны DЕ3 = 0, 7 эВ? 4. Термопара висмут – железо с постоянной 9 · 10–6 в/град и сопротивлением 5. При определении разности температур между различными участками поверхности кожи человека с помощью двух спаев термопары медь – константан в качестве индикатора использовался гальванометр чувствительностью 0, 5 · 10–7 а/дел и с сопротивлением обмотки подвижной катушки 50 ом.. Чему равна разность температур, если при суммарном внешнем сопротивлении цепи 80 ом стрелка отклонилась на 20 делений? 6. Какое минимально изменение температуры тела человека можно определить с помощью термопары железо – константан, если измерительный прибор (гальванометр) имеет чувствительность 10–9 а/дел и сопротивление 20 ом? Лабораторная работа 9 ГРАДУИРОВКА ТЕРМОЭЛЕМЕНТА В КАЧЕСТВЕ ТЕРМОМЕТРА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ТЕРМО-ЭДС Приборы и принадлежности: 1) гальванометр с ценой деления 10-6А; Если спаять два куска проволоки из разных металлов, например меди и железа, константана и меди и др., и замкнуть цепь, то в случае, если спаи будут иметь различные температуры, в цепи возникнет ток. Наличие тока (термотока) в цепи объясняется возникновением электродвижущей силы, которая в этом случае называется термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС). Ее величина определяется по формуле
где
является постоянной величиной для определенного спая двух металлов с концентрациями электронов n01 и n02, k — постоянная Больцмана; q — заряд электрона. Устройство (рис. 37, а), состоящее из двух спаев металлов и дающее при наличии разности температур спаев ЭДС, а при замкнутой цепи — ток, называется термоэлементом или термопарой. Как видно из выражения (1), величина Е зависит от разности температур Та нагретого и Тb холодного спаев металлов. Поэтому а характеризуют еще как термо-ЭДС, возникающую при разности температур спаев в один градус. Ее величина определяет чувствительность термоэлемента. Для большинства металлов она очень мала и для некоторых спаев принимает следующие значения, выраженные в мВ/град: медь — железо — 0, 016; константан — медь —0, 041; константан — железо — 0, 053.
Рис. 37 Для любого интервала температур отклонение стрелки (луча) гальванометра N пропорционально термо-ЭДС: N = gE (3) где g — коэффициент, показывающий, на сколько делении отклоняется стрелка гальванометра при величине термо-ЭДС 1 мВ, Подставив в формулу (3) значение Е из выражения (1), получим N = ga(Та – Тb) = b(Та – Тb) (4) Коэффициент b зависит не только от материалов спаев, но и от сопротивления всей цепи и чувствительности гальванометра. Формулу (4) можно записать иначе:
этот коэффициент показывает смещение стрелки гальванометра при разности температур 1°. Аналогично коэффициенту a коэффициент b представляет чувствительность всей установки. Если температуру Тb холодного спая поддерживать постоянной, то термо-ЭДС будет функцией температуры Та нагретого спая. Тогда формулу (5) можно представить в виде линейной зависимости:
Функциональную зависимость температуры Та нагреваемого спая от отклонений N стрелки гальванометра можно определить экспериментально, построив графическую зависимость Та от N. Чувствительность a термоэлемента и величину термо-ЭДС определяют следующим образом. Пусть n0 — отклонение стрелки гальванометра, соответствующее некоторой разности температур Та—Тb. Если с — постоянная гальванометра по току (помечается на циферблате прибора), R0— сопротивление гальванометра, подводящих проводов и термоэлемента, то термо-ЭДС при данной разности температур будет вычисляться по формуле E = cn0R0 (7)
Включив последовательно с R0некоторое сопротивление Rм = 100—200 Ом магазина сопротивлений, обнаружим, что стрелка гальванометра отклонится на число делений n< N. При той же разности температур выражение для термо-ЭДС примет вид E = cn( R0 + Rм) (8)
Решив уравнения (7) и (8) относительно R0и подставив его значение в (7), найдем
Из выражений (9) и (1) легко получить чувствительность термоэлемента
Определив a, из формулы (1) или (10) можно найти величину термо-ЭДС. Термоэлементы, как и термисторы, имеют большие преимущества перед ртутными и спиртовыми термометрами вследствие малой инерционности и малого размера, что дает возможность измерить температуры малых биологических объектов. Термоэлементы обладают некоторыми преимуществами перед термисторами, так как они позволяют измерять высокие температуры, не требуют источника питания. Регистрирующий прибор (гальванометр) можно установить на значительном расстоянии от термоэлемента и следить за изменением температуры любого процесса или биологической клетки. Для повышения чувствительности термоэлементы соединяют в термобатарею (рис. 37, 6), одни спаи которой, например нечетные, нагреваются, а четные находятся в холодном состоянии. С помощью такой термобатареи можно исследовать тепловое излучение поверхности тела человека. Термоэлементы аналогично термисторам являются весьма удобными датчиками температур, используемыми при исследовании и управлении не только технологическими, но и биологическими процессами.
Порядок работы 1. Градуировка термоэлемента. Собирают установку по схеме, показанной на рис. 37, а. Сопротивление магазина устанавливают в нулевое положение. Нагреваемый спай термоэлемента погружают в сосуд со льдом и ставят его на плитку. Холодный спай помещают в сосуд Дьюара, заполненный водой со льдом. При этом стрелка гальванометра Г устанавливается в нулевом положении. Нагревая спай, через каждые 5° фиксируют температуры и соответствующие им отклонения стрелки гальванометра. Отсчет температур и отклонений стрелки гальванометра продолжают до 50°. По значениям экспериментально снятых температур и отклонениям стрелки гальванометра вычерчивают график зависимости Та от N. Результаты опыта, постоянные и расчетные величины заносят в таблицу.
Таблица
2. Определение чувствительности и величины термо-ЭДС термоэлемента. При некоторой разности температур Та—Тb отмечают отклонение n0 стрелки гальванометра. Затем при той же разности температур поворотом декадного переключателя магазина устанавливают какое-либо сопротивление, например 200 Ом, и отмечают максимальное отклонение п стрелки гальванометра. Эти измерения следует проводить быстро, чтобы не изменилась разность температур Та—Тb По известным с, п0, п, Rм, Та и Тb по формуле (10) находят чувствительность a, а затем Е. 3. Измерение температуры тела человека или какой-либо среды. Нагреваемый спай термоэлемента прикладывают к какой-либо точке тела человека, например шеи, руки, щеки, или погружают внутрь раствора и отмечают отклонение стрелки гальванометра. По отклонению стрелки гальванометра, пользуясь графиком, находят температуры исследуемых объектов. Дополнительная информация Общая структурная схема для регистрации, съёма и передачи медицинской информации.
¯ устройства для съёма информации
Примеры устройства датчиков, используемых в медицине. Датчик - (преобразователь медицинской информации) - устройство съема информации, реагирующий своим чувствительным элементом на воздействие измеряемой величины, а также осуществляющий преобразование этого воздействия в форму, удобную для последующего усиления, регистрации, обработки и т.д. Тип и конструкция датчика зависят от вида необходимого преобразования, то есть определяются конкретными физическими представлениями входного неэлектрического сигнала и выходного электрического сигнала, а также зависят от условий работы датчика. Входными неэлектрическими величинами датчиков могут быть механические величины (линейные и угловые перемещения, скорость, ускорение, давление, частота колебаний), физические (температура, освещенность, влажность), химические (концентрация, вещества, состав), непосредственно физиологические (наполнение ткани кровью). Выходными электрическими величинами обычно служат ток, напряжение, ионное сопротивление (импеданс), частота (или фаза) переменного тока или импульсных сигналов. Датчики медико-биологической информации можно разделить на две группы: биоуправляемые и энергетические. Биоуправляемые датчики изменяют свои характеристики непосредственно под влиянием медико-биологической информации, поступающей от объекта измерения. В свою очередь биоуправляемые датчики подразделяются на активные (генераторные) и пассивные (параметрические). В активных датчиках измеряемый параметр непосредственно преобразуется в электрический сигнал, то есть под воздействием измеряемой величины активные датчики сами генерируют сигнал соответствующей амплитуды или частоты. К таким датчикам относятся пьезоэлектрические, индукционные преобразователи, термоэлементы. Пассивные датчики под воздействием входной величины изменяют свои электрические параметры: сопротивление, емкость или индуктивность. В отличие от активных (генераторных) датчиков, пассивные (параметрические) датчики для получения соответствующего значения выходного напряжения или тока включаются в электрическуюцепь с внешним источником питания. К таким датчикам можно отнести емкостные, индуктивные, резистивные, контактные датчики. Энергетические датчики в отличие от биоуправляемых активно воздействуют на органы и ткани. Они создают в исследуемом органе так называемый немодулированный энергетический поток со строго определенными, постоянными во времени характеристиками. Измеряемый параметр воздействует на характеристики этого потока, модулирует его пропорционально изменениям самого параметра. Энергетические информационные преобразователи нуждаются в источнике дополнительной энергии для воздействия на объект и создания немодулированного энергетического потока. Из датчиков такого типа можно указать, к примеру, фотоэлектрические и ультразвуковые. Каждый датчик характеризуется определенными метрологическими показателями. Важнейшими из них являются: 1) чувствительность - минимальное изменение снимаемого параметра, которое можно устойчиво обнаружить с помощью данного преобразователя; 2) динамический диапазон - диапазон входных величин, измерение которых производится без заметных искажений от максимальной предельной величины до минимальной, ограниченной порогом чувствительности или уровнем помех; 3 ) погрешность - максимальная разность между получаемой и номинальной выходными величинами; 4) время реакции - минимальный промежуток времени, в течение которого происходит установка выходной величины на уровень, соответствующий измененному уровню входной величины. Погрешности устройств съема медико-биологической информации - одно из звеньев в общей цепи ошибок измерений, зависящих от ряда технических и специфических причин. Это обстоятельство затрудняет сопоставление результатов в процессе диагностики и лечения. Причинами погрешностей могут быть: 1) температурная зависимость функции преобразования; 2) гистерезис - запаздывание y от x даже при медленном изменении входной величины, происходящее в результате необратимых процессов в датчике; 3) непостоянство функции преобразования во времени; 4) обратное воздействие датчика на биологическую систему, приводящее к изменению показаний; 5) инерционность датчика (пренебрежение его временными характеристиками) и другие. Таблица 20
Термоэлектричество находит три основных применения: 1) для создания генераторов тока с прямым преобразованием молекулярно-тепловой энергии в электрическую. Современные полупроводниковые термогенераторы имеют к.п.д. порядка 10%; 2) для определения температур. Зная зависимость eт = f(DТ), по измерениям eт можно найти DТ, а следовательно, и Т. Удобство этого метода заключается в дистанционности и возможности измерения температуры небольших объектов, поскольку сам контакт металлов или полупроводников может быть сделан достаточно малым. В медицине, в частности, это используется для нахождения температуры отдельных органов и их частей; 3) для измерения мощности инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучений Возникновение термоэлектродвижущей силы в рассмотренном примере относится к группе термоэлектрических явлений. Так называют явления, в которых отражается специфическая связь между электрической и молекулярно-тепловой формами движения материи в металлах и полупроводниках. Устройства отображения и регистрации медицинской информации. Устройства отображения осуществляют временное представление информации, уничтожаемой при появлении новой. Устройства регистрации в отличие от них проводят запись информации на каком-либо стандартном носителе и позволяют длительное время хранить информацию и многократно обращаться к ней для последующей обработки и более глубокого анализа. Выходная информация может быть представлена в аналоговой (непрерывной) или дискретной форме. В соответствии с этим отображения и регистрация медицинской информации можно разделить на три большие группы: аналоговые, дискретные и комбинированные. Последние позволяют представлять информацию как в дискретном, так и в аналоговом виде.
Задачи 1. Между плоскими электродами площадью S = 100 см2 каждый, находится 2. Термопара из Рb – Ag создает термоэлектродвижущую силу 3 мкВ при разности температур спаев в 1 К. Можно ли такой термопарой уверенно установить повышение температуры тела человека от 36, 5 до 37, 0 0 С, если потенциометр позволяет измерить напряжение с точностью до 1 мкВ? 3. Во сколько раз изменится сопротивление полупроводника при уменьшении температуры вдвое, если его начальная температура Т = 400 К, ширина запрещенной зоны DЕ3 = 0, 7 эВ? 4. Термопара висмут – железо с постоянной 9 · 10–6 в/град и сопротивлением 5. При определении разности температур между различными участками поверхности кожи человека с помощью двух спаев термопары медь – константан в качестве индикатора использовался гальванометр чувствительностью 0, 5 · 10–7 а/дел и с сопротивлением обмотки подвижной катушки 50 ом.. Чему равна разность температур, если при суммарном внешнем сопротивлении цепи 80 ом стрелка отклонилась на 20 делений? 6. Какое минимально изменение температуры тела человека можно определить с помощью термопары железо – константан, если измерительный прибор (гальванометр) имеет чувствительность 10–9 а/дел и сопротивление 20 ом? Лабораторная работа 9 ГРАДУИРОВКА ТЕРМОЭЛЕМЕНТА В КАЧЕСТВЕ ТЕРМОМЕТРА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ТЕРМО-ЭДС Приборы и принадлежности: 1) гальванометр с ценой деления 10-6А; Если спаять два куска проволоки из разных металлов, например меди и железа, константана и меди и др., и замкнуть цепь, то в случае, если спаи будут иметь различные температуры, в цепи возникнет ток. Наличие тока (термотока) в цепи объясняется возникновением электродвижущей силы, которая в этом случае называется термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС). Ее величина определяется по формуле
где
является постоянной величиной для определенного спая двух металлов с концентрациями электронов n01 и n02, k — постоянная Больцмана; q — заряд электрона. Устройство (рис. 37, а), состоящее из двух спаев металлов и дающее при наличии разности температур спаев ЭДС, а при замкнутой цепи — ток, называется термоэлементом или термопарой. Как видно из выражения (1), величина Е зависит от разности температур Та нагретого и Тb холодного спаев металлов. Поэтому а характеризуют еще как термо-ЭДС, возникающую при разности температур спаев в один градус. Ее величина определяет чувствительность термоэлемента. Для большинства металлов она очень мала и для некоторых спаев принимает следующие значения, выраженные в мВ/град: медь — железо — 0, 016; константан — медь —0, 041; константан — железо — 0, 053.
Рис. 37 Для любого интервала температур отклонение стрелки (луча) гальванометра N пропорционально термо-ЭДС: N = gE (3) где g — коэффициент, показывающий, на сколько делении отклоняется стрелка гальванометра при величине термо-ЭДС 1 мВ, Подставив в формулу (3) значение Е из выражения (1), получим N = ga(Та – Тb) = b(Та – Тb) (4) Коэффициент b зависит не только от материалов спаев, но и от сопротивления всей цепи и чувствительности гальванометра. Формулу (4) можно записать иначе:
этот коэффициент показывает смещение стрелки гальванометра при разности температур 1°. Аналогично коэффициенту a коэффициент b представляет чувствительность всей установки. Если температуру Тb холодного спая поддерживать постоянной, то термо-ЭДС будет функцией температуры Та нагретого спая. Тогда формулу (5) можно представить в виде линейной зависимости:
Функциональную зависимость температуры Та нагреваемого спая от отклонений N стрелки гальванометра можно определить экспериментально, построив графическую зависимость Та от N. Чувствительность a термоэлемента и величину термо-ЭДС определяют следующим образом. Пусть n0 — отклонение стрелки гальванометра, соответствующее некоторой разности температур Та—Тb. Если с — постоянная гальванометра по току (помечается на циферблате прибора), R0— сопротивление гальванометра, подводящих проводов и термоэлемента, то термо-ЭДС при данной разности температур будет вычисляться по формуле E = cn0R0 (7)
Включив последовательно с R0некоторое сопротивление Rм = 100—200 Ом магазина сопротивлений, обнаружим, что стрелка гальванометра отклонится на число делений n< N. При той же разности температур выражение для термо-ЭДС примет вид E = cn( R0 + Rм) (8)
Решив уравнения (7) и (8) относительно R0и подставив его значение в (7), найдем
Из выражений (9) и (1) легко получить чувствительность термоэлемента
Определив a, из формулы (1) или (10) можно найти величину термо-ЭДС. Термоэлементы, как и термисторы, имеют большие преимущества перед ртутными и спиртовыми термометрами вследствие малой инерционности и малого размера, что дает возможность измерить температуры малых биологических объектов. Термоэлементы обладают некоторыми преимуществами перед термисторами, так как они позволяют измерять высокие температуры, не требуют источника питания. Регистрирующий прибор (гальванометр) можно установить на значительном расстоянии от термоэлемента и следить за изменением температуры любого процесса или биологической клетки. Для повышения чувствительности термоэлементы соединяют в термобатарею (рис. 37, 6), одни спаи которой, например нечетные, нагреваются, а четные находятся в холодном состоянии. С помощью такой термобатареи можно исследовать тепловое излучение поверхности тела человека. Термоэлементы аналогично термисторам являются весьма удобными датчиками температур, используемыми при исследовании и управлении не только технологическими, но и биологическими процессами.
Порядок работы 1. Градуировка термоэлемента. Собирают установку по схеме, показанной на рис. 37, а. Сопротивление магазина устанавливают в нулевое положение. Нагреваемый спай термоэлемента погружают в сосуд со льдом и ставят его на плитку. Холодный спай помещают в сосуд Дьюара, заполненный водой со льдом. При этом стрелка гальванометра Г устанавливается в нулевом положении. Нагревая спай, через каждые 5° фиксируют температуры и соответствующие им отклонения стрелки гальванометра. Отсчет температур и отклонений стрелки гальванометра продолжают до 50°. По значениям экспериментально снятых температур и отклонениям стрелки гальванометра вычерчивают график зависимости Та от N. Результаты опыта, постоянные и расчетные величины заносят в таблицу.
Таблица
2. Определение чувствительности и величины термо-ЭДС термоэлемента. При некоторой разности температур Та—Тb отмечают отклонение n0 стрелки гальванометра. Затем при той же разности температур поворотом декадного переключателя магазина устанавливают какое-либо сопротивление, например 200 Ом, и отмечают максимальное отклонение п стрелки гальванометра. Эти измерения следует проводить быстро, чтобы не изменилась разность температур Та—Тb По известным с, п0, п, Rм, Та и Тb по формуле (10) находят чувствительность a, а затем Е. 3. Измерение температуры тела человека или какой-либо среды. Нагреваемый спай термоэлемента прикладывают к какой-либо точке тела человека, например шеи, руки, щеки, или погружают внутрь раствора и отмечают отклонение стрелки гальванометра. По отклонению стрелки гальванометра, пользуясь графиком, находят температуры исследуемых объектов. Дополнительная информация Общая структурная схема для регистрации, съёма и передачи медицинской информации.
¯ устройства для съёма информации
Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-08-31; Просмотров: 867; Нарушение авторского права страницы
(1)
(2)
(5)
(6)
(9)
(10)
Значительная термо-э.д.с. достигается не только выбором подходящей пары металлов или полупроводников или увеличением DТ, но и последовательным соединением нескольких термопар в термобатарею (термостолбик). На рис. 15.5 показана термобатарея из четырех термопар (нечетные контакты 1, 3, 5, 7 имеют одну температуру, четные 2, 4, 6, 8 - другую).