Міністерство освіти і науки України
Тернопільський державний технічний університет
імені Івана Пулюя
Кафедра біотехнічних систем
Методичні вказівки
до виконання лабораторних робіт
з курсу “Вимірювальні перетворювачі біофізичних
величин та електроди”
для студентів спеціальності
7.091002 “Біотехнічні та медичні апарати і системи”
за напрямом підготовки 6.0910 “Електронні апарати”
Тернопіль
2005
зміст
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1.
Тема: дослідження термоелектричних перетворювачів при вимірюванні температури біологічних об'єктів.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2.
Тема: дослідження електростатичних перетворювачів артеріального тиску.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3.
Тема: вимірювання концентрації цукру в розчині з допомогою поляриметра ДКС.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4.
Тема: Дослідження конструкції електродів для визначення водневого показника рН.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №5
Тема: Дослідження впливу конструктивних характеристик реоелектродів при вимірюванні імпедансу.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №6.
Тема: дослідження швидкодії тензометричного перетворювача сили при м’язових скороченнях.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №7.
Тема: Вимірювання основної похибки ректального перетворювача температури ПТМР-01.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №8.
Тема: дослідження конструктивних особливостей електродів для УВЧ терапії.
Лабораторна робота №1.
Тема: дослідження термоелектричних перетворювачів при вимірюванні температури біологічних об'єктів.
Мета роботи: дослідження мідь-константанової термопари в інтервалі 0‑42°С; вимірювання температури людини з допомогою термопари чи напівпровідникового p-n переходу.
Прилади і матеріали: диференційна термопара, ртутний термометр, вольтметр В7-35, лід, нагрівач.
Теоретичні відомості
Потреба вимірювання температури людини привела до застосування залежностей певних параметрів і характеристик від зміни вимірювальної температури біологічного середовища. В їх основу були покладені властивості рідин і газів розширюватися при нагріванні зміна електричного опору та пружності насичених парів від температури та ін. Оскільки температура не піддається прямому вимірюванню, тому її необхідно перетворювати в іншу, легко вимірювальну фізичну величину, використовуючи однозначний зв’язок температури і вибраних фізичних властивостей.
Для побудови практичної температурної шкали використовуються фізичні закони, в які входить температура, як основний аргумент. Наприклад, у рівняння стану ідеального газу.
(1)
де Р – тиск,
V – об’єм,
R – газова постійна,
Т – абсолютна температура.
В законі Шарля, який дозволяє визначити зміну тиску ідеального газу (при V = const)
(2)
В законі Гей-Люссака для визначення зміни об'єму (при Р =const)
(3)
Для вимірювання термодинамічної температури використовують газові термометри, які в якості робочого газу мають гелій чи азот, але потребують великої кількості поправок, що можливо зробити у відповідних лабораторіях. Основною реперною відміткою служить потрійна точка води, яка собою являє температуру рівноваги трьох фаз: твердої, газоподібної та рідкої. Відтворення приготовленої потрійної точки води відбувається з точністю – 0,0002°К.
Наприклад, відомо, що біооб’єкт випромінює тепло в короткохвильовому діапазоні. Згідно закону Планка таке випромінення характеризується поверхневою густиною випромінення абсолютно-чорного тіла при довжині хвилі λ і визначається наступним чином:
(4)
де с - швидкість розповсюдження світла у вакуумі,
h - постійна Планка,
k
-
постійна Больцмана.
Для короткохвильового спектра при формула (4) переходить у спектральну формулу Віна:
(5)
тоді при
формула (4) переходить в залежність
Релея-Джинса:
(6)
Вимірювання температури біооб’єкту є складною проблемою у зв’язку з невеликим діапазоном вимірювання (28-42°С), порівнянне високою точністю (0,05-0,1°С), необхідністю застосування різноманітних перетворювачів у залежності від локалізації місця її відбору та застосування відповідних фізичних явищ.
Постійність температури тіла – результат неперервних процесів, що відбуваються в організмі і підтримують незмінним його тепловий баланс. Як утворення, так і віддача тепла знаходяться в прямій залежності від температури навколишнього середовища і регулюються чутливими механізмами, які керують центральною нервовою системою.
Температурні коливання тіла людини складають один градус. Порівняльні дані про температуру різних областей тіла в медико-біологічних дослідженнях, які проводились в мікрокліматичній камері (при температурі повітря 46,5°С і відносній вологості 55%) приведені в таблиці 1.
Таблиця 1. Результати вимірювання
Області встановлення датчика |
Нормальна температура тіла, °С |
Підвищена температура тіла, °С |
Ректальна |
37,4 + 0,3 |
38,2 + 0,3 |
Пахова |
36,8 + 0,25 |
38,0 + 0,4 |
Умбилікальна |
36,6 + 0,7 |
37,6 + 0,3 |
Задача вибору первинних перетворювачів і методу вимірювання температури в медико-біологічному експерименті достатньо складна, так як потрібно шукати оптимальний розв’язок, враховуючи численні, нерідко протилежні фактори. Опишемо деякі важливі моменти, що визначають вибір методу вимірювання температури.
Діапазон вимірювання температур. Для вимірювання в межах кімнатних температур можна використовувати майже всі методи, але при зниженні температури число таких методів зменшується. Так, методи, побудовані на тепловому випромінюванні тіла, в умовах низьких температур уже непридатні. Людина може бути життєздатною при температурі від -50 до +70°С, при більш високих температурах наступає теплова смерть, а більш низьких температурах людина замерзає.
Динаміка досліджуваного процесу. При дослідженнях змінних теплових процесів часто важливим обмеженням є інерційність первинних перетворювачів. Труднощі, що виникають в деяких випадках можна перебороти введенням поправок, розрахованих за відповідними методиками, або використовуючи коректуючі пристрої. Проте, якщо зміні температури досліджуваного об'єкта відповідає зміна умов тепловіддачі, то наявність термічної інерційності термоперетворювача може привести не тільки до зміни точності показів приладу, але і до спотворення форми реєструючої кривої зміни температури.
При безконтактному методі вимірювання температури можуть бути використані приймачі енергії з дуже малою інерційністю, завдяки чому значно розширюються динамічні властивості температурних вимірювань.
Точність вимірювань. Вимоги, що ставляться до точності вимірювання температур відповідають встановленій відповідним біологічним процесом допустимій похибці вимірювання цього параметра. Враховуючи специфіку температурних вимірювань, потрібно мати на увазі, що допустима інструментальна похибка вимірювання вибраним комплектом (первинний і вторинний) перетворювачів не може дорівнювати допустимій похибці вимірювання температури, а повинна бути ще меншою. Необхідний запас точності вимірювального комплекту має бути резервований на очікувану нестабільність характеристик первинного перетворювача, а також на очікувані величини випадкової складової методичної похибки для даних умов вимірювань.
При визначенні необхідного класу точності використаного вимірювального перетворювача, або реєструючого приладу, потрібно мати на увазі, що клас точності характеризує допустиму основну похибку, виражену у відсотках від усього діапазону шкали приладу. Абсолютна величина допустимої похибки буде однаковою в любій точці шкали. Відносна ж величина цієї похибки буде меншою, якщо значення вимірюваної величини буде ближче до кінця шкали. Коротко зупинимося на показниках точності вимірювання абсолютної температури, які можна отримати сучасними термометрами.
Згідно ГОСТу 8.083-83 для засобів вимірювання температури точність зразкових засобів 2-го розряду, яка характеризується довірчою похибкою і рівна подвоєному значенню середньоквадратичного відхилення результату вимірювань, для ртутних термометрів змінного наповнювача в діапазоні 0 – 150°С складає (0,004 ‑ 0,1)°К, для ртутних термометрів в діапазоні 0 – 600°С (0,01 ‑ 1,0)°К і для платинових термометрів опору в діапазоні 0 – 630,74°С складає (0,03 ‑ 0,07)°K.
Точність робочих засобів вимірювання температури, яка характеризується границями абсолютної допустимої похибки для різних термометрів, приведена в табл. 2:
Таблиця 2. Основні параметри термометрів
Вимірювальні перетворювачі |
Діапазон вимірювання, °С |
Абсолютна допустима похибка, °К |
Ртутні термометри |
0 – 500 |
0,002 – 1,0 |
Ртутні термометри змін. наповнення |
0 – 150 |
0,005 – 0,2 |
Напівпровідникові термометри опору |
0 – 300 |
0,02 – 1,0 |
Манометричні термометри |
0 – 600 |
0,15 – 15,0 |
Поверхневі термометри |
20 – 500 |
0,5 – 5,0 |
Термометри опору з неблагородних металів |
0 – 300 |
0,3 – 2,5 |
Термометри опору платинові (перев. зі зразковим ртутним терм. 3-го розряду) |
0 – 650 |
0,1 – 3,0 |
Термометри опору платинові (перев. зі зразковим платиновим терм. 1-го розряду) |
0 – 650 |
0,004 – 1,00 |
Термоелектричні термометри з неблагородних металів |
0 – 1200 |
4 – 10 |
Термоелектричні платино-родій-платинові термометри |
300 – 1200 |
1,5 – 8,0 |
При оцінці вимірювальних приладів необхідно звертати увагу на те, щоб їх чутливість відповідала потрібній точності вимірювання і забезпечувала необхідну часову різницю результатів дослідження змінних процесів.