практикум часть 1. Практикум по медицинской и биологической физике учебное пособие для самостоятельной работы
 Скачать 34.72 Mb.
|
|
Настойка осциллографа и порядок работы Для наблюдения исследуемого сигнала и измерения его основных пара- метров, таких как амплитуда, частота, временные интервалы, в подавляю- щем большинстве случаев можно ограничиться ниже перечисленными ре- жимами развертки и синхронизации. Ждущая развертка с синхронизацией исследуемым сигналом Установите ручку переключателя вида синхронизации в положение «ВНУТР.», а ручку «УРОВЕНЬ» — в одно из крайних положений. Поставьте в нужное по- ложение переключатель длительностей и тумблер множителя развертки, если приблизительно известна длительность исследуемого процесса. Установите пе- реключатель в положение, при котором величина исследу- емого сигнала на экране прибора наиболее удобна для наблюдения. Подай- те исследуемый сигнал на гнездо . Вращайте ручку «СТАВ.» вправо до появления изображения на экране ЭЛТ. Вращая эту же ручку в обратную сторону, установите ее в положение, при котором развертка срывается. Это положение соответствует ждущему, режиму работы. Поверните ручку «УРОВЕНЬ» до положения, при котором появляется устойчивое изоб- ражение сигнала. Переключателем выбора полярности синхронизации ; можно осуществить запуск развертки от положительной или от- рицательной части сигнала, установив его в положение Непрерывная развертка с синхронизацией исследуемым сигналом Проведите те же операции с прибором, что и для работы в ждущем ре- жиме, необходимо только при отсутствии сигнала на входе повернуть ручку «СТАБ.» так, чтобы на экране появилась линия развертки. Подайте на исследуемый сигнал. Поворачивайте ручку «УРО- ВЕНЬ» до получения устойчивого изображения. Если это сделать не удает- ся, добейтесь устойчивого изображения незначительным поворотом ручки «СТАБ.». Синхронизация от внешнего источника Поставьте ручку переключателя вида синхронизации в положение «ВНЕШ. 1:1» или «1:10», в зависимости от амплитуды синхронизирую- щего сигнала. Дальнейшие операции производите так же. 57 Развертка от внешнего источника Установите ручку переключателя в положение ӨХ».Подайте развертывающее напряжение от внешне го источника на гнездо «ӨX». Применяйте этот режим работы в тех случаях, если для гори- зонтального отклонения луча необходимо не пилообразное напряжение, а сигнал другой формы, например, синусоидальный. Внешняя модуляция луча по яркости Подключите модулирующий сигнал к гнездам, которые находятся на задней стенке прибора. Засинхронизируйте этим же сигналом развертку для получения неподвижных яркостных меток на экране ЭЛТ. Измерение временных интервалов Для обеспечения максимальной точности измерения временных интер- валов следует соблюдать следующие условия: — размер изображения измеряемого временного интервала должен быть большим, что уменьшает погрешность отсчета при измерении; — размеры по горизонтали изображений измеряемого и калибровочного сигналов (или нескольких их периодов) должны быть по возможности одинаковыми, что исключает погрешность за счет нелинейности по горизонтали, т. к. в этом случае действие нелинейно- сти одинаково на измеряемый и калибровочный сигнал; — калибровка перед измерением должна производиться для каждого из положений множителя — для уменьшения погрешности измерения за счет толщины линии луча измерение и калибровку следует производить или оба по правым, или оба по левым краям изображения; — измерение и калибровку проводить на горизонтальной осевой линии шкалы с делениями. Перед измерением установите ручку «ДЛИТЕЛЬНОСТЬ» в крайнее правое положение. В этом положении развертка калибрована и соответствует градуи- ровке переключателя «ВРЕМЯ/см». Проверьте калибровку длительности раз- вертки по внутреннему калибратору. Установите измеряемый временной интер- вал в центре экрана ручкой . Поставьте переключатель «ВРЕМЯ/cm» и переключатель в такое положение, чтобы измеряемый интервал занимал длину на экране не менее 30 мм шкалы. Измеряемый временной интервал определяется произведением длины из- 58 меряемого интервала времени на экране по горизонтали в делениях шкалы (см), на значения коэффициента развертки и значения множителя разверт- ки Длительность одного периода определяется дополнительным делением ука- занного произведения на число измеряемых периодов. Измерение временных интервалов, возможно, производить при помощи яркостных меток известной частоты или периодом следования. Для модуляции луча используется синусоидальное или импульсное напряжение. Получите на экране ЭЛТ четкое неподвижное изображение, использовав режим внешней синхронизации развертки модулирующим сигналом. Отрегулируйте ручка- ми «ЯРКОСТЬ» и «ФОКУС» изображение так, чтобы на экране осциллографа были видны четкие яркие метки с темными промежутками между ними. Дли- тельность временного интервала определяется умножением количества меток, укладывающихся на его изображении, на известный период следования моду- лирующего сигнала. Измерение частоты Частоту сигнала, возможно, определить, измерив его период Т. f = 1/T (1) Подсчитывается расстояние в делениях целого числа периодов сигнала, укладывающихся наиболее близко к 8 делениям шкалы. Пусть, например, 8 пе- риодов занимают расстояние 4 деления при длительности (коэффициенте раз- вертки) 5 мкс/см. Тогда искомая частота сигнала равна (2) где n — количество периодов; / — расстояние в делениях шкалы, занимаемое измеряемым участком; — длительность развертки (коэффициент развертки).Другим методом определения частоты, является метод сравнения) неизвестной частоты с эта- лонной по фигурам Лиссажу. В этом случае на усилитель вертикального отклоне- ния (вход подают сигнал, частоту которого надо измерить, а на усилитель горизонтального отклонения (вход — сиг- нал генератора образцовой частоты. При сближении частот на экране появляется вращающийся эллипс, останов- ка которого указывает на полное совпадение частот. При кратном соотношении частот на экране получается более сложная фигура, причем частота по вертика- ли так относится к частоте по горизонтали, как число точек касаний касательной к фигуре по горизонтали относится к числу точек касаний фигуры к касатель- ной по вертикали. Возможно, также определение частоты с помощью яр- 59 костных меток, получаемых путем подачи эталонной частоты, кратной с ис- следуемым сигналом, на гнездо Измерение амплитуды исследуемых сигналов Для обеспечения максимальной точности измерения рекомендуется соблюдать следующие условия при измерении: — размах изображения измеряемого сигнала должен быть большим, что уменьшает погрешность отсчета при измерении; — размах изображений измеряемого и калибровочного сигналов дол- жен быть по возможности одинаков (возможное неравенство — до 1,5 см), что позволяет свести к минимуму погрешность за счет нелинейности по вер- тикали, т.к. ее действие в этом случае одинаково на измеряемый и ка- либровочный сигналы; — калибровку коэффициента отклонения производить от дельно в каждом из положений множителя — измерение амплитуды производить на вертикальной осе вой линии шкалы или в месте, где производилась калибровка, что позволяет исключить погрешность за счет геометрических искажений, в наибольшей степени проявляющихся при максимальном раз- махе изображения на краях рабочей части экрана; — измерение и калибровку проводить с учетом толщины линии луча. Перед измерением проверьте калибровку коэффициента отклонения уси- лителя вертикального отклонения луча, в том положении тумбле- ра, в котором производится измерение амплитуды. Подайте на гнездо исследуемый сигнал. Ручка «УСИЛЕНИЕ»должна находиться в крайнем правом положении. Установите переключате- лем величину изображений в пределах рабочей части экрана. но не менее 2см. Coвместите при помощи ручек изображе- ние сигнала с делениями шкалы и отсчитайте размер изображения по верти- кали в делениях (см). Величина исследуемого сигнала в Вольтах равна произведению измеренной величины в сантиметрах, коэффициента отклонения (цифровой отметки переклю- чателя «V/cm, mV/cm») значения множителя При работе с вы- носным делителем 1: 10 полученный результат умножается на 10. 60 Выполнение работы и составление отчета по лабораторной №3 ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ. ГОУВПО «СМОЛЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ РОСЗДРАВА» ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ЗДРАВООХРАНЕНИЮ И СОЦИАЛЬ- НОМУ РАЗВИТИЮ» Кафедра медицинской и биологической физики Тема: Медицинская электроника Лабораторная работа 2б Электронный осциллограф Студент:_________________________ Группа: _________________________ Преподаватель:___________________ Дата:____________________________ Смоленск 61 3.2 Цели и задачи 1.Студент должен ознакомиться с устройством электронного осциллографа; знать основные органы управления; знать основные характери- стики ЭЛТ; 2.Уметь получать устойчивую осциллограмму; знать условия получения устойчивой осциллограммы; 3.Уметь определять величину выходного напряжения звукового генератора с помощью электронного осциллографа; 4.Уметь определять частоту и длительность исследуемого сигнала с по- мощью метода «меток». Основные понятия Устройство электронного осциллографа, основные органы управления, знать основные характеристики ЭЛТ, уметь получать устойчивую осциллограм- му; Знать методику получения устойчивой осциллограммы; уметь определять величину напряжения исследуемого сигнала и временные характеристики с по- мощью электронного осциллографа. Приборы и принадлежности Звуковой генератор ГЗ-34, электронный осциллограф С1-68, соединитель- ные провода. 3.3 Краткое теоретическое введение Рис.1. Внешний вид лабораторной установки 62 Основные характеристики ЭЛТ 1. Чувствительность к отклонению – это смещение светового пятна на экране ЭЛТ в мм на 1В напряжения, подаваемого на отклоняющие пластины. Поскольку вертикально-отклоняющие пластины расположены дальше от экрана, чем горизонтально-отклоняющие, то чувствительность к отклонению для верти- кально-отклоняющих пластин выше, чем для горизонтально-отклоняющих. Именно поэтому исследуемое напряжение подаётся обычно на вертикально от- клоняющие пластины. 2. Длительность послесвечения. Явление послесвечения состоит в том, что возбуждённый люминофор испускает свет ещё некоторое время после того, как прекратится его бомбардировка электронами. Понятно, что ЭЛТ с большой длительностью послесвечения пригодны для регистрации медленных процессов, а для кратковременных высокочастотных процессов необходимы ЭЛТ с малым послесвечением. 3. Скорость записи – это скорость перемещения светового пятна на экране ЭЛТ в км/с, при которой ещё наблюдается достаточная яркость свечения. Для регистрации высокочастотных процессов необходимы ЭЛТ с большой ско- ростью записи. Для увеличения скорости записи необходимо увеличивать напряжение, приложенное ко второму аноду, однако, чувствительность ЭЛТ к отклонению при этом падает. Рис. 2. Внешний вид передней панели осциллографа 63 3.4 Практическая часть Экспериментальная установка состоит из следующих приборов: звуковой генератор ГЗ-34, электронный осциллограф. Электрический сигнал на осцилло- граф подаётся от звукового генератора ручкой «Регулировка выхода». Частота сигнала задаётся при помощи переключателя «Множитель» и вращением руч- ки «Частота». Например, чтобы задать частоту сигнала 15000Гц, нужно пере- ключатель «Множитель» установить в положение «100», а по шкале ручкой «Частота» установить «150». Получим: 100∙150 = 15000. Перед началом работы ручка «Регулировка выхода» звукового генератора должна находиться в край- нем левом положении. Все начальные регулировки осциллографа проводятся в соответствии с пунктом «Настойка осциллографа и порядок работы». Задание 1. Наблюдение сигналов, полученных от звукового генератора, по- лучение устойчивой осциллограммы. Включить приборы в сеть, дать им прогреться в течение 2-3 минут. При по- лучении на экране осциллографа прямой линии (повернуть ручку «СТАБ. » так, чтобы на экране появилась линия развертки), сфокусировать её, отре- гулировать яркость и положение на экране ручками «Смещ. Х» и «Смещ. У». ручкой «Регулировка выхода» на панели управления звукового генератора по- дать электрический сигнал на вход осциллографа. Вращением ручки «Усиле- ние» на панели управления осциллографа добиться того, чтобы на экране ос- циллографа появилась осциллограмма амплитудой 25-30мм. Условие получения устойчивой осциллограммы. Для получения на экране ЭЛТ устойчивой осциллограммы, необходимо, чтобы электронный луч начинал своё повторное движение в одной и той же фазе. Этого можно добиться только в том случае, если период напряжения от генератора развёртки осцилло- графа кратен периоду исследуемого сигнала: Т разв. = n∙Т сигн. , где n – целое число. Поворачивайте ручку «УРОВЕНЬ» (Рис.2.) до получения устойчивого изображения. Если это сделать не удается, добейтесь устойчивого изоб- ражения незначительным поворотом ручки «СТАБ.». Задание 2. Определение амплитуды выходного напряжения звукового гене- ратора с помощью осциллографа. Перед измерением проверьте калибровку коэффициента отклонения уси- лителя вертикального отклонения луча, в том положении тумбле- 64 ра, в котором производится измерение амплитуды. Подайте на гнездо исследуемый сигнал. Ручка «УСИЛЕНИЕ»должна находиться в крайнем правом положении. Установите переключате- лем величину изображений в пределах рабочей части экрана. но не менее 2см. Coвместите при помощи ручек изображе- ние сигнала с делениями шкалы и отсчитайте размер изображения по верти- кали в делениях (см). Величина исследуемого сигнала в Вольтах равна произведению измеренной величины в сантиметрах, коэффициента отклонения (цифровой отметки переклю- чателя «V/cm, mV/cm») значения множителя . При работе с вы- носным делителем 1: 10 полученный результат умножается на 10. Зная мас- штаб калибровки усиления осциллографа определим амплитуду исследуемо го сигнала. Результаты измерений свести в таб.1: Таблица 1. №Размах ис- следу. сигна- ла, см. Цена деления оциллогр. V/см, mV/см. К - делите- ля U вых.ген. Задание 3. Определение длительности и частоты исследуемого сигнала. Перед измерением установите ручку регулировки «ДЛИТЕЛЬНОСТЬ» в крайнее правое положение. В этом положении развертка калибрована и соот- ветствует градуировке переключателя «ВРЕМЯ/см». Проверьте калибровку дли- тельности развертки по внутреннему калибратору. Установите измеряемый вре- менной интервал в центре экрана ручкой . Поставьте переключатель «ВРЕМЯ/cm» и переключатель в такое положение, что- бы измеряемый интервал занимал длину на экране не менее 30 мм шка- лы. Измеряемый временной интервал определяется произведением длины из- меряемого интервала времени на экране по горизонтали в делениях шкалы (см), на значения коэффициента развертки и значения множителя разверт- ки Длительность одного периода определяется дополнительным делением ука- занного произведения на число измеряемых периодов. Определите и запишите длительность исследуемого синусоидального сигнала (Рис.3) 65 Рис. 3. Временные характеристики синусоидального сигнала Измерение частоты исследуемого сигнала Частоту сигнала, возможно, определить, измерив его период Т, (1) Подсчитывается расстояние в делениях целого числа периодов сигнала, укладывающихся наиболее близко к 8 делениям шкалы. Пусть, например, 8 пе- риодов занимают расстояние 4 деления при длительности (коэффициенте раз- вертки) 5 мкс/см. Тогда искомая частота сигнала равна (2) где n — количество периодов; l — расстояние в делениях шкалы, занимаемое измеряемым участ- ком; — длительность развертки (коэффициент развертки). 3.5 Выводы по работе Вопросы для самоконтроля 1. Электронный осциллограф, его назначение, основные части. 2. Устройство электронно-лучевой трубки. 3. Как определить напряжение с помощью электронно-лучевой трубки? 4. Как получить на экране осциллографа устойчивую осциллограмму? 5. Как определить частоту сигнала с помощью электронно-лучевой трубки? Основная литература 1. И.А.Эссаулова «Руководство к лабораторным работам по ме- дицинской и биологической физике» 1987г., с.132-137. Дополнительная литература 1. Методические указания для студентов. / Под ред. А.И. Смир- нова,СГМА, 1985, выпуск 4, стр. 3 – 17. 66 Работа №4. Лабораторная работа 1э Изучение датчиков температуры 2.4.1. Цели и задачи Изучить устройство и принцип работы термоэлектрического и термистор- ного датчиков; определить метрологические характеристики датчиков; выяснить возможность применения датчиков для определения температуры тела человека. Изучить экспериментально основные характеристики и параметры термисторно- го и термоэлектрического датчиков. 2.4.2. Приборы и принадлежности Для термисторного датчика. Измерительный мост, понижающий транс- форматор, нагреватель мешалка сосуд с водой, термометр, термистор, источник питания 4 В. Для термоэлектрического датчика. Два сосуда с водой, нагреватель, по- нижающий трансформатор, два термометра, миллиамперметр, два термоспая. Основные понятия Датчики – это специальные устройства, преобразующие неэлектрические сигналы в электрические на уровне, необходимом для регистрации. Для опреде- ления температуры используют термисторный и термоэлектрический датчики. 2.4.3. Вопросы к занятию 1. Классификация средств съёма медицинской информации. 2. Что такое электроды? Классификация электродов (приведите приме- ры). 3. Каковы основные требования к средствам съёма медицинской ин- формации? 4. Каким должно быть переходное сопротивление электрод-кожа? По- чему? (ответ поясните расчётами). 5. Какие Вы знаете способы уменьшения переходного сопротивления электрод-кожа? Какие из них предпочтительнее? 6. Какова конструкция электродов для экстренного применения, дли- тельного применения? (приведите примеры). 7. Что называется датчиком? Техническая классификация датчиков (приведите примеры). 67 8. Физическая, медицинская классификация датчиков. (приведите при- меры) 9. Термисторный датчик. Его назначение. Устройство и принцип дей- ствия. 10. Термоэлектрический датчик. Его назначение. Устройство и принцип действия. 11. Классификация медицинских параметров. (ответ поясните примера- ми) 12. Метрологические характеристики датчиков: перечислить, определе- ние, формулы, единицы измерения. 13. Как можно с помощью датчиков определить температуру кожи чело- века и ядра? 14. Преимущества и недостатки термисторных датчиков. 15. Преимущества и недостатки термоэлектрических датчиков. 16. Устройство и принцип действия пьезодатчика и микрофонного датчи- ка. 17. Датчики тканевого обмена веществ. Устройство и принцип действия. 2.4.4. Теоретическое введение Для практической работы в производственных и научных целях обычно ис- пользуют разнообразные вторичные термометры, градуированные в той или иной шкале температур. Существует большое число разнообразных вторичных термометров. Рассмотрим некоторые из них. Жидкостные термометры. В них используется зависимость объема жидкости от степени ее нагретости. Жидкость помещается в резервуар со стеклянным капилляром (рис. 1). При изменении температуры уровень жид- кости в капилляре меняется. Вдоль капилляра расположена шкала, програ- дуированная в единицах температуры. Чем больше размеры резервуара, тем выше чувствительность термометра. Рабочий диапазон жидкостного термометра обычно определяется точкой замерзания и кипения рабочей жидкости. Границы рабочего диапазона некото- рых термометрических жидкостей приведены в таб.1. Погрешность измерений с помощью жидкостных термометров лежит в области 0,01 К. Недостатком таких термометров являются их сравнительно большой размер и большая теплоем- сть. Поэтому тепловая инерция таких термометров велика. Рис.1. Жидкостной термометр 68 Измерение температуры с помощью термисторов Часто для измерения температуры в медицине используют термисторы. Термистор(англ. thermistor), то же что терморезистор. Исторически термин "Т." происходит от английских слов thermally sensitive resistor — термочувстви- тельный резистор. Термистор был изобретён Самюэлем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 году и имеет патент США номер #2,021,491. ТЕРМИСТОР (терморезистор), ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ резистор, облада- ющий свойством существенно изменять свое электрическое сопротивление при изменении ТЕМПЕРАТУРЫ. При 20 o С сопротивление может быть порядка ты- сячи ом, тогда как при 100 o С - всего около 10 ом. Термисторы используются при измерении температуры и для компенсации температурных колебаний в различ- ных частях схемы. Для термистора характерны большой температурный коэффициент сопротив- ления (ТКС)который существенно убывает с ростом температуры (в десятки раз превышающий этот коэффициент у металлов), простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени. Терморезистор изготовляют в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок и тонких пластинок преимущественно методами порошковой металлургии. Их размеры могут варьироваться в пределах от 1—10 мкм до 1—2 см. Основными параметрами терморезистора являются: номинальное сопротивле- ние, температурный коэффициент сопротивления, интервал рабочих температур, максимально допустимая мощность рассеяния. Различают терморезисторы с отрицательным (термисторы) и положительным (позисторы)ТКС. Терморезисторы с отрицательным ТКС изготовляют из смеси поликристалличе- ских оксидов переходных металлов (например, MnO, СoO?, NiO, CuO), легиро- ванных Ge и Si, полупроводников типа A III B V , стеклообразных полупроводников и других материалов. Различают терморезисторы низкотемпературные (рассчитанные на работу при температуpax ниже 170 К), среднетемпературные (170—510 К) и высокотемпе- ратурные (выше 570 К). Кроме того, существуют терморезисторы, предназна- ченные для работы при 4,2 К и ниже и при 900—1300 К. Наиболее широко ис- пользуются среднетемпературные терморезисторы с ТКС от — 2,4 до —8,4 %/К и номинальным сопротивлением 1—10 6 Ом. Режим работы терморезисторов зависит от того, на каком участке статической вольт-амперной характеристики (ВАХ) выбрана рабочая точка. В свою очередь ВАХ зависит как от конструкции, размеров и основных параметров терморези- стора, так и от температуры теплопроводности окружающей среды, тепловой связи между терморезистором и средой. Терморезисторы с рабочей точкой на начальном (линейном) участке ВАХ используются для измерения и контроля температуры и компенсации температурных изменений параметров электриче- ской цепей и электронных приборов. Терморезисторы с рабочей точкой на нис- ходящем участке ВАХ (с отрицательным сопротивлением) применяются в каче- 69 стве пусковых реле, реле времени, измерителей мощности электро-магнитного излучения на СВЧ, стабилизаторов температуры и напряжения. Режим работы терморезистора, при котором рабочая точка находится также на ниспадающем участке ВАХ (при этом используется зависимость сопротивления терморезисто- ра от температуры и теплопроводности окружающей среды), характерен для терморезисторов, применяемых в системах теплового контроля и пожарной сиг- нализации, регулирования уровня жидких и сыпучих сред; действие таких тер- морезисторов основано на возникновении релейного эффекта в цепи с терморе- зистором при изменении температуры окружающей среды или условий тепло- обмена терморезистора со средой. Изготовляются также терморезисторы специ- альной конструкции — с косвенным подогревом. В таких терморезисторах име- ется подогревная обмотка, изолированная от полупроводникового резистивного элемента (если при этом мощность, выделяющаяся в резистивном элементе, ма- ла, то тепловой режим терморезистора определяется температурой подогревате- ля, то есть током в нём). Таким образом, появляется возможность изменять со- стояние терморезистора, не меняя ток через него. Такой терморезистор исполь- зуется в качестве переменного резистора, управляемого электрически на рассто- янии. Из терморезисторов с положительным температурным коэффициентом наибольший интерес представляют терморезисторы, изготовленные из твёрдых растворов на основе BaTiO 3 . Такие терморезисторы обычно называют позисто- рами. Известны терморезисторы с небольшим положительным температурным коэффициентом (0,5—0,7 %/К), выполненные на основе кремния с электронной проводимостью; их сопротивление изменяется с температурой примерно по ли- нейному закону. Такие терморезисторы используются, например, для темпера- турной стабилизации электронных устройств на транзисторах. Термометры сопротивления. В них используется зависимость сопро- тивления вещества от его температуры. Обычно этим веществом является ме- талл. Однако, в качестве чувствительного элемента мостовой схемы можно использовать термистор У большинства металлов с ростом температуры сопротивление растет. Терм ометр R T (термистор) обычно включают в мостовую схем у (рис. 2). Сигнал разбалансировки моста возникает при нагревании термометра. Сигнал измеряется прибором V. В табл. 1. приведены некоторые металлы, ис- пользуемые в качестве термометров сопротивления, диапазон их применимости и средний температурный коэффициент сопротивления. Таб. 1. Измеряемые температуры и некоторые характеристики термомет- ров сопротивления 70 (1) Здесь R o — сопротивление термометра при 0°С, а R 100 -при -100° С. Рис.2. Мостовая схема подключения термистора для измерения темпера- туры, внешний вид термисторного датчика Термисторные термометры отличаются сравнительно невысокой линейностью амплитудной характеристики, но лучшим временем реакции чем термопарные термометры. Термопарные термометры Термопара (термоэлектрический преобразователь) – это наиболее распростра- ненный датчик температуры, термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах. Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции датчика, воз- можности работать в широком диапазоне температур и дешевизны. Широкому применению термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству мон- тажа, возможности измерения локальной температуры. Они гораздо более линей- ны, чем многие другие датчики, а их нелинейность на сегодняшний день хорошо изучена и описана в специальной литературе. К числу достоинств термопар отно- 71 сятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей тем- ператур. Термопары незаменимы при измерении высоких температур (вплоть до 2200°С) в агрессивных средах. Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры на уровне ±0,01 ° С. Они вырабатывают на выходе термо- ЭДС в диапазоне от микровольт до милливольт, однако требуют стабильного уси- ления для последующей обработки. Термопара состоит из двух спаянных на одном из концов проводников, изго- товленных из металлов, обладающих разными термоэлектрическими свойствами. Спаянный конец, называемый «рабочим спаем», погружается в измеряемую сре- ду, а свободные концы («холодный спай») термопары подключаются ко входу терморегуляторов. Поскольку термо ЭДС зависит от разности температур двух спаев термопары, то для получения корректных показаний необходимо знать тем- пературу «холодного спая», чтобы скомпенсировать эту разницу в дальнейших вычислениях. В модификациях входов, предназначенных для работы с термопа- рами, предусмотрена схема автоматической компенсации температуры свободных концов термопары. Датчиком температуры «холодного спая» служит полупро- водниковый диод, установленный рядом с присоединительным клеммником. Подключение термопар к прибору должно производиться с помощью специаль- ных компенсационных (термоэлектродных) проводов, изготовленных из тех же материалов, что и термопара. При соединении компенсационных проводов с тер- мопарой и прибором необходимо соблюдать полярность. Во избежание влияния помех на измерительную часть прибора линию связи прибора с датчиком реко- мендуется экранировать. В качестве экрана может быть использована заземленная стальная труба. При нарушении указанных условий могут иметь место значитель- ные погрешности при измерении. Преимущества термопар Большой температурный диапазон измерения: от −200 °C до 1800—2500 °C Простота Дешевизна Надежность Недостатки Точность более 1 °C труднодостижима, необходимо использовать термо- метры сопротивления или термисторы. На показания влияет температура свободных концов, на которую необхо- димо вносить поправку. В современных конструкциях измерителей на ос- нове термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и ав- томатическое введение поправки к измеренной ТЭДС. 72 Эффект Пельтье (в момент снятия показаний, необходимо исключить про- текание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охла- ждает горячий спай и разогревает холодный зависимость ТЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала. возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характе- ристики и погрешностям до 5 К. на большой длине термопарных и удлинительных проводов может возни- кать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей. изменение чувствительности с температурой. С уменьшением температу- ры чувствительность термопар падает. Термопара состоит из двух разнородных проводников, спаянных в точ- ках А и В (рис. 3). Участок АСВ состоит из проводника одного типа металла, а участки AD и BF — из другого. Спай А поддерживается при постоянной температуре Т о с помощью термостата К. Спай В помещается наисследуемое тело температуры Т. Рис. 3. Схема включения термопарного термометра и его внешний вид 73 Возникающая в цепи термопары ЭДС Е является функцией разности Т—Т о : Е=α (Т-Т 0 ). (2) Величина α— термический коэффициент электродвижущей силы термо- пары — тоже в общем случае зависит от температуры. Напряжение, возникающее между точками D и F, подается н а ус и л и - т е л ь У и д а л е е н а р е г и с т р и р у ю щ и й п р и б о р . В табл.2 приведены неко- торые пары металлов, используемых в качестве термопар, их рабочий диапа- зон и средняя чувствительность. Т а б л и ц а 2 Термопарные термометры отличаются простотой в изготовлении, малыми размерами, малой тепловой инерционностью, широким диапазоном примени- мости. Так же как и у термометров сопротивления, верхняя граница ихприме- нимости определяется температурой плавления или окисления. Так, напри- мер, у меди при температуре выше 350°С идет сильное окисление кисло- родом воздуха. Это ведет к разрушению термопары. 74 Выполнение работы и составление отчета по лабораторной №4 ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ. ГОУВПО «СМОЛЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ РОСЗДРАВА» ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ЗДРАВООХРАНЕНИЮ И СОЦИАЛЬ- НОМУ РАЗВИТИЮ» Кафедра медицинской и биологической физики Тема: Медицинская электроника Лабораторная работа 1э Изучение датчиков температуры Студент:_________________________ Группа: _________________________ Преподаватель:___________________ Дата:____________________________ Смоленск 75 4.2 Цели и задачи Изучить устройство и принцип работы термоэлектрического и термистор- ного датчиков; определить метрологические характеристики датчиков; выяснить возможность применения датчиков для определения температуры тела человека. Изучить экспериментально основные характеристики и параметры термисторно- го и термоэлектрического датчиков. Приборы и принадлежности Для термисторного датчика. Измерительный мост, понижающий транс- форматор, нагреватель мешалка сосуд с водой, жидкостный термометр, источ- ник питания 4 В, термисторный датчик. Для термоэлектрического датчика. Два сосуда с водой, нагреватель, по- нижающий трансформатор, два жидкостных термометра, миллиамперметр, два термоспая, микроамперметр. 4.3 Краткое теоретическое введение Внешний вид экспериментальных установок. Рис. 1. Установка для исследования термоэлектрического датчика 76 Рис. 2. Установка для исследования термисторного датчика Датчики – это специальные устройства, преобразующие неэлектрические сигналы в электрические на уровне, необходимом для регистрации. Для опреде- ления температуры используют термисторный и термоэлектрический датчики. Рис.3. Схема установки для снятия амплитудной характеристики терми- сторного датчика Термисторный датчик представляет собой электрическую цепь, состоящую из сопротивлений R 1 , R 2 , R 3 , R t , соединённых по схеме, показанной на схеме. R 1 и R 2 – постоянные сопротивления. R 3 – переменное сопротивление (рео- стат). Движок этого реостата связан с ручкой, которая выведена на переднюю, панель установки, внутри которой смонтированы сопротивления R 1 , R 2 , R 3 и 77 микроамперметр. R t – термистор, сопротивление которого зависит от температуры окружаю- щей среды. Для изменения температуры окружающей среды термистора в про- цессе работы служит сосуд с водой, снабжённый нагревателем, питающимся от понижающего трансформатора напряжением 12В. При замыкании ключа в цепи измерительного моста возникает электриче- ский ток. Когда выполняются условия: R 1 = R 2 и R 3 = R t , измерительный мост сбалансирован. При этом ток через микроамперметр не идёт, т.к. разность по- тенциалов в точках подключения микроамперметра равна нулю. Если темпера- тура окружающей среды термистора начинает меняться, меняется сопротивле- ние термистора, т.е. R t уже не равно R 3 , происходит разбалансировка моста. Раз- ность потенциалов в точках подключения микроамперметра отлична от нуля, через микроамперметр пойдёт ток, пропорциональный изменению сопротивле- ния термистора, а значит изменению температуры окружающей среды терми- стора. Из вышесказанного следует, что перед началом работы с термисторным датчиком, необходимо сбалансировать измерительный мост ( добиться того чтобы R t = R 3 ). При этом стрелка микроамперметра должна показывать нуль. Далее в процессе работы ручку балансировки моста крутить не рекомендуется. А Рис.4. Схема установки для снятия амплитудной характеристики термо- электрического датчика Термоэлектрический датчик представляет собой замкнутую цепь, состоя- щую из двух спаев разнородных металлов (рис.4). В месте плотного соприкос- новения различных металлов возникает контактная разность потенциалов, кото- рая зависит от температуры окружающей среды, и обусловлена неодинаковой концентрацией свободных электронов в разных металлах. Из двух таких спаев составляют замкнутую цепь. Если точки контактов поддерживать при одинако- вой температуре, то тока в цепи не будет, т.к. разность потенциалов на обоих контактах одинаковы и направлены в противоположные стороны. Если темпера- 78 туры контактов разные, то в горячем спае разность потенциалов будет больше, чем в холодном. В цепи возникнет термоэлектродвижущая сила, величина кото- рой пропорциональна разности температур спаев: E = (t 2 – t 1 ), (1) где - удельная термоЭДС, т.е. термоЭДС, возникающая в цепи при разно- сти температур контактов в один градус; t 1 и t 2 - температуры спаев; Е – термоэлектродвижущая сила Т.к. по закону Ома величина тока в цепи пропорциональна э.д.с., то по из- менению силы тока можно судить об изменении температуры спаев. Поэтому в цепь датчика включён микроамперметр. 4.4 Практическая часть Задание 1. Ознакомиться с лабораторной установкой и подготовить её к ра- боте: Проверить правильность соединения приборов в цепи. Определить и записать цены делений измерительных приборов, применя- емых в работе. Занести в отчёт схемы датчиков. Задание 2. Снятие амплитудной характеристики датчика: Измерить и занести в отчёт начальную температуру воды. Включить нагреватель. Осторожно перемешивая воду в сосуде мешалкой, снимать показания жидкостного термометра и микроамперметра датчика через каждые 2ºС. Значения температуры и тока занести в таблицу 1. Таблица 1. Показания термометра, tºC Показания микроамперметра, I, мкА Воду в сосуде нагревать до 40ºС – 45ºС. Примечание: Содержание пунктов практической части для обеих типов датчиков одинаково. 79 4.5 Обработка результатов эксперимента По данным таблицы 1 построить амплитудную характеристику датчика, т.е. график зависимости силы тока от температуры I = f(tºC). I,ma t o c Рис.5. Амплитудная характеристика датчика На характеристике датчика отметить линейный участок и определить дина- мический диапазон m и чувствительность g датчика. Задание 4. Определение частотного диапазона датчика (ν н. – ν в. ) по време- ни реакции τ датчика. Сначала определим время реакции датчика: Воспринимающую часть датчика (термистор или активный термоспай) вынуть из сосуда с подогретой водой и опустить в сосуд с водой комнатной температуры для того, чтобы он приобрёл комнатную температуру. При этом показание микроамперметра должно быть равно I = 0мкА. Найти в таблице 1 значение силы тока при показаниях термометра на 20ºС выше комнатной температуры. Это установившееся значение силы тока в цепи датчика I уст. Вычислить значение 0,67∙ I уст. Проконтролировать, чтобы температура подогретой воды в сосуде была на 20ºС выше комнатной, если нужно – подогреть. Опустить датчик в сосуд с тёплой водой и по секундомеру заметить время, в течение которого стрелка микроамперметра достигнет значения 0,67∙ I уст Это время и будет временем реакции датчика τ. Определить границы частотного диапазона датчика (ν н. – ν в. )Гц, где ν н. = 0, ν в. =1/τ . Задание 5. Измерение температуры тела человека с помощью датчика. Вынуть воспринимающую часть датчика (термистор или активный тер- моспай) из воды и остудить его. 80 Прикладывать воспринимающую часть датчика (термистор или активный термоспай) к различным частям тела, записывая при этом показания микроам- перметра в таблицу 2. Время измерения должно быть не меньше, чем время ре- акции датчика. По амплитудной характеристике датчика определить температуру различ- ных участков тела, данные занести в таблицу 2. Таблица 2 Точки тела ладонь шея щека нос и т.д. Показания микроамперметра I, мкА Температура различных участ- ков тела tºC Объяснить причины заниженных значений температуры тела. Сделать вывод о возможности практического использования датчика. 4.6 Выводы по работе Вопросы для самоконтроля 1. С каким датчиком Вы работали? Каков принцип его действия? 2. Что такое амплитудная характеристика? Какие метрологиче- ские характеристики датчика по ней можно определить? Поясните мето- дику определения метрологических характеристик датчика. 3. Как определяется частотный диапазон датчика? 4. Как практически определить время реакции датчика? 5. Почему при измерении температуры тела получились зани- женные значения? Основная литература 1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика, изд. 3-е, испр. М.: Высшая школа, 1987. , с. 367-373 2. Блохина М.Е., Эссаулова И.А., Мансурова Г.В. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике: Учеб. пособие. – 3-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2002. – 288 с.: ил. Дополнительная литература Лекционные записи. |