45 Вопрос

Электромагнитные излучения, их характеристики и единицы измерения.

Э/м излучения (волны) – распространяющееся в пространстве с конечной скоростью переменное э/м поле. Среди характеристик э/м излучений выделяют λ и f , λ=c/f , при наличии вещества υ=c/n, где n-показатель преломления волны данного излучения. В медицинских приборах для диагностики и исследования лечебных воздействий исп.излучения практически всего спектра э/м волн. Св-ва э/м излучений различаются в зависимости от λ.

Для получения измерительной инфо важное значение имеет оптический диапазон э/м излучений, он включает в себя УФ-излучение 0,01-0,38мкм;видимое 0,38-0,78мкм;ИК 0,78-340мкм. В теории и на практике различают 3 вида величин, характеризующих оптическое излучение: энергетические фотометрические, фотонные фотометрические, световые. Чаще всего используют 1(излучение оценивается во всем диапазоне спектра) и 3 (излуч.оцен. на глаз человека).

Основные световые величины: освещенность (Е, люкс=лм/м2) - физическая величина, численно равная световому потоку, падающему на единицу поверхности; сила света(I,кандела,кд) - это поток излучения, приходящийся на единицу телесного угла, в пределах которого он распространяется; световой поток(Ф,люмен) - мощность излучения, воспринимаемая нормальным человеческим глазом; световая энергия (лм*с) -часть энергии э/м излучения, воспринимаемая человеческим глазом или др. приёмником света. Равна произведению светового потока на длительность освещения; светимость - плотность потока световой энергии в данном направлении; яркость(кд/м2) - это поток, посылаемый в данном направлении единицей видимой поверхности в единичном телесном угле.

Количественную инфо о величинах получают с помощью спец. преобразователей, кот.наз. приемниками излучения. С помощью них обычно осуществляется преобразование потока э/м излуч-ий в какую-либо электрич.величину. Такие преобразователи нашли высокое применение в биомедицинской аналитической технике.

Для измерения величин характеризующих оптич.излуч. исп. фото-электрич.и тепловые приемники. Фотоприемники преобразуют энергию э/м изл.в энергию заряж.частиц вещ-ва. Различают фотоприемники с внешним и внутренним фотоэффектом. С внешним: электровакуумные фотоэлементы; с внутренним: фоторезисторы, фотогальванические элементы, фотодиоды, фототранзисторы. Фотоэл.приемники обладают селективностью, т.к.по-разному реагируют на излучения различных волн и частот.

Тепловые приемники преобразуют энергию э/м излуч.во внутреннюю, а изменяющаяся при этом температура чувствительного приемника измеряется соответствующим чувствительным преобразователем (электронным). Тепл.приемники не селективны, т.к. реагируют на общее кол-во поглощенной э/м энергии независимо от длины волны,т.е. реагируют интегрально. К тепловым относят термоэлектрич.,пироэлектрич.,болометры.

Для приемников оптич.изл-я принято определять большое число спец.характеристик. Наиболее важная из них: спектральная хар-ка чувствительности S, т.е.зависимость монохроматической чувствительности приемника от длины волны излучения, этой хар-кой определяется диапазон спектра излуч-я. У селективных приемников спектральная хар-ка имеет мах,соответствующий λмах. Удобно использовать относительную хар-ку чувствительности: Sотн=S/Sмах. У неселективных приемников спектральная и относительная чувст-ть обычно имеет вид прямых, которые парал-ны во всем рабочем диапазоне длин волн.

Монохроматич.спектральная чувст-ть- это чувств-ть приемника к монохром.излучению S_λ=dI/dФ.

Интегральная токовая чувст-ть-отношение фототока к мощности потока излуч-я заданного спектрального состава, который вызвал этот ток.

Рабочее напряжение - постоянное напряжение, приложенное к приемнику излучения, при котором обеспечиваются номинальные параметры при его длительной работе.

Световая характеристика (статическая) -зависимость м/д выходным и входным сигналом приемника при U=const в стационарном режиме.

Теневой ток- сила тока, протекающая ч/з приемник при рабочем напряжении и отсутствии излучения, падающего на него.

Электровакуумные фотоэлементы

Работа основана на явлении фотоэлектронной эмиссии (внешний фотоэффект), сущность которого состоит в испускании электронов твердыми телами под действием э/м излучения в вакууме. Внешний фотоэф-т возникает в результате 3 процессов:

А)Поглощение фотона и появление внутри ТТ электронов с существенно более высокой энергией, чем средняя при данной темп-ре.

Б)Движение этих электронов к поверхности Me.

В)Выход с поверхности в другую среду –вакуум, ч/з границу раздела.

Выделяют закономерности внешнего фотоэф-та:

1)Кол-во испускаемых электронов прямопропорционально падающему световому потоку (интенсивности излуч-я)

2)Для каждого вещ-ва существует порог, т.е.min частота э/м излуч-я ( мах λ), за которым фотоэф-т не возникает-красная граница фотоэф-та.

3)Кинет.энергия вылетающих с поверхности катода электронов линейно увеличивается с частотой излучения.

4)Внешний фотоэф-т возникает, если энергия излучения превышает работу выхода электрона данного Ме:

hν=Aвых.+Wк hν≥ Aвых.

Кол-ной харак-кой фотоэлектронной эмиссии явл-ся квантовый выход электронов, который определяется числом вылетающих электронов, приходящихся на 1 фотон.

Технически фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон, из которого откачен воздух до давления 10^-6мм.рт.ст. Почти половина внутренней поверхности баллона покрыта Ме (цезием-имеет наименьшую работу выхода), он служит катодом. Анод в виде кольца или круглой пластинки меньших размеров, расположен в центре баллона. Обычно баллон выполнен из стекла, которое пропускает излуч-е, обеспечивая наивысшую чувствительность фотоэлемента. Наибольшую чувствительность обеспечивают УФ лучи. При работе вакуумный фотоэл-т соединен последовательно со стабилизирующим источником напряжения и резистором. Напряжение ИП 80-300В. Вылетающие под действием света фотоэлектроны движутся в пространстве от К к А. Протекающий ток-фототок. На нагрузке Rн возникает падение U~I. При необходимости, когда U мало используют усилители const U. Область спектральная чувствительности вакуумных элементов 0,16-1,20мкм. Как правило это видимый диапазон. Чувствительность S=0,3-0,7мкА/мм.

Описанный фотоэл-т имеет имеет недостаток: его чувствительность мала. Этот недостаток снимают с использованием другого вида электровакуумного фотоэл-та-фотоэлектронный умножитель. Это вакуумные фотоэл-ты с дополнительными устройствами, которые называют вторичными электронными умножителями: они сами способны усиливать эл.ток, который возникает под действием э/м излучения. Фотоэлектронный умножитель выполнен в виде стеклянного баллона разной формы (T,□), из которого откачен воздух. Внутри катод, на который направляют поток излучения, несколько ковшеобразных электродов – диноды, и анод А. Для формирования соответствующих потенциалов на этих электродах исп-т цепочку резисторов, которая при последовательном подключении к источнику играет роль делителя U, так что м/д соседними динодами по ходу эл. луча потенциал увеличивается. Принцип действия ФЭУ основан и на фотоэл-ой эмиссии (при воздействии света на катод) и на использовании вторичной эл.эмиссии.

При воздействии потока оптического излучения на фотокатод из него вылетают электроды, кот.собираются со всей пов-ти К и через диафрагму, ускоряясь под действием эл.поля, направляются на 1 динод. Эти электроны-первичные, попадая на 1 динод, взаимодействуют с электронами его вещ-ва и возбуждают их до более высоких энергетических состояний. Часть этих электронов перемещается к границе динода с вакуумом. При этом электроны, достигающие поверхности с энергией, превышающей поверхностный потенциал барьера, переходит в вакуум(эффект вторичной электронной эмиссии). Они ускоряются эл.полем и перемещаются ко 2 диноду, а со 2 на 3ий и т.д.

Диноды подключены к делителю напряжения так, что м/д ними создается эл.поле,ускоряющее электроны. Разность потенциалов м/д соседними динодами 100-150 В. При ударе электронов о каждый из динодов в зависимости от материала динода м энергии электронов из динода может выбиваться несколько вторичных электронов. Отношение числа вторичных электронов к числу первичных называют коэффициентом вторичной электронной эмиссии σ. Совокупность динодов представляет собой вторично-электронный умножитель.

Число электронов собираемых на аноде можно определитьNa=Nk*γk*Пσiγi,П от i=1..n, Nk-число электронов, вылетающих из К, γk-коэф-т сбора этих электронов, число показывает ск-ко из Nk попадает на 1 электрод, σi-коэф-т вторичной эл.эмиссии i-ого динода, γi- коэф-т эффективности, Пσiγi=К-коэф-т усиления.

Если считать Na-является числом электронов, попадающих на 1 динод в единицу времени t,то I=e*Na-мах значение тока. У современных ФЭУ сила тока на выходе =12А, при К=10^7 и σ=4.

ФЭУ грамосткие: 10-25 см. Большие возможности для их минитюаризации представляются при использовании канальных ФЭУ,в которых применяется с распределенным электрическим R. Такой динод представляет собой электропроводящий слой,сформированный на внутренней поверхности изготовленного из специального стекла корпуса. Слой наносится путем термообработки в водороде и имеет R=10^8Ом. Слой непосредственно подключается к высоковольтному источнику питания. При подаче высоковольтного напряжения к концам этого трубчатого слоя (канала) по нему протекает эл.ток, создавая падение напряжения вдоль канала. Электрон, вылетающий из фотокатода, под действием эл.поля направляется в канал,а вторичный электрон,выбитый при этом из внутренней стенки канала,под действием эл.поля ускоряется и,перемещаясь вдоль канала,ударяется о стенки этого канала в точке с более высоким потенциалом.Значение усиления коэффициента зависит от отношения длинны канала к его диаметру,напряженя на концах канала,вторично-эмиссионых свойств электропроводящего слоя и может составлять 10^6 и 10^7 при U=2500В.Для увеличения коэффициента усиления канальных ФЭУ их иногда изготовляют в форме винтовой спирали(спиральтрон).Спектральная характеристика чувствительности ФЭУ находится в диапазоне длин волн 0,16-1,20мкм,а их чувствительность составляет 1-5000А/лм.

46

Фотоэффе́кт — это испускание электронов веществом под действием света

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта.

Фотопроводимостью называется увеличение электрической проводимости вещества под действием излучения.

Вентильный фотоэффект или фотоэффект в запирающем слое — явление, при котором фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело или жидкость .

Фоторезистор- полупроводниковый резистор, сопротивление которого чувствительно к электромагнитному излучению в оптическом диапазоне спектра.

Поток фотонов, падающих на полупроводник, вызывает появление пар электрон-дырка, увеличивающих проводимость.

Спектральная характеристика отображает чувствительность фоторезистора при действии на него излучения определенной длины волны. Чувствительность зависит от самой области спектра материала светочувствительного элемента.

Люкс-амперная характеристика фоторезисторов показывает зависимость светового тока, протекающего через резистор, от освещенности. Полупроводниковые фоторезисторы имеют обычно нелинейные люкс-амперные характеристики.

Вольтамперная характеристика фоторезисторов показывает зависимость светового тока, протекающего через резистор, от приложенного к нему напряжения. Вольтамперная характеристика фоторезисторов линейна в широком интервале напряжения. Линейность нарушается только при малых значениях напряжения.

Фотодиод — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Основным физическим явлением в фотодиоде является генерация пар электрон-дырка в области p-n- перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения. Электрическое поле p-n-перехода разделяет электроны и дырки. Неосновные носители электричества, для которых поле является ускоряющим, выводятся этим полем за переход. Основные носители задерживаются полем в своей области проводимости. Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения Uак между анодом и катодом при разомкнутой цепи.

Характеристики:

вольт-амперная характеристика зависимость выходного напряжения от входного тока. UΦ = f(IΦ)

спектральные характеристики зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.

световые характеристики зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.

постоянная времени это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63 %) по отношению к установившемуся значению.

темновое сопротивление сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

Фототранзистор — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, вариант биполярного транзистора. Отличается от классического варианта тем, что область базы доступна для светового облучения, за счёт чего появляется возможность управлять усилением электрического тока с помощью оптического излучения.

Выходные характеристики подобны выходным характеристикам биполярного транзистора, но теперь положение харатеристик определяется не током базы, а уровнем освещённости.

Фототранзистор имеет структуру n-p-n или p-n-p транзистора и может усиливать ток. Дырки электронно-дырочных пар, рождённых излучением, находятся в базе, а электроны переходят в эмиттер или коллектор. При увеличении положительного потенциала базы происходит усиление фототока за счёт инжекции электронов из эмиттера в базу.

Биполярный фототранзистор — полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами — предназначен для преобразования светового потока в электрический ток. При освещении фототранзистора в его базе генерируется электронно-дырочные пары. Неосновные носители зарядов переходят в область коллектора и частично в область эмиттера. При этом потенциалы эмиттера и коллектора относительно базы изменяются. Эмиттерный переход смещается в прямом направлении, и даже небольшое изменение его потенциала вызывает большое изменение тока коллектора, то есть фототранзистор является усилителем. Ток коллектора освещенного фототранзистора оказывается достаточно большим — отношение светового потока к темновому велико (несколько сотен). Фототранзисторы обладают значительной большей, чем фотодиоды, чувствительностью — порядка сотни миллиампер на люмен. Биполярный фототранзистор подобен обычному биполярному транзистору, между выводами коллектора и базы которого включен фотодиод. Таким образом, ток фотодиода оказывается током фототранзистора и создает усиленный в n раз ток в цепи коллектора. Если на фототранзистор подается только электрический сигнал, его параметры почти не отличаются от параметров обычного транзистора.

Применение

Фототранзистор можно включать по схемам со свободным коллектором, со свободной базой и со свободным эмиттером. На фототранзистор можно подавать оптические и электрические сигналы. Без входного электрического сигнала, который обычно необходим для смещения, компенсирующего наводки, фототранзистор работает как фотодиод с высокой интегральной чувствительностью, небольшой граничной частотой и большим темновым током. Фототранзисторы целесообразно использовать для регистрации больших световых сигналов; при регистрации малых световых сигналов следует подать положительное смещение на базу. Применяют два варианта включения фототранзисторов: диодное — с использованием только двух выводов (эмиттера и коллектора) и транзисторное — с использованием трех выводов, когда на вход подают не только световой, но и электрический сигналы. Фототранзисторы используются в качестве фотоприемников в транзисторных оптопарах.

Полупроводниковые фотоэлементы(солнечные батареи)

Физический принцип работы солнечных батарей

Преобразование энергии в фотоэлектрических преобразователях основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Неоднородность структуры фотоэлектрических преобразователей может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны - энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств фотоэлектрических преобразователей, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Основные необратимые потери энергии в фотоэлектрических преобразователях связаны с:

-отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,

-прохождением части излучения через фотоэлектрический преобразователь без поглощения в нём,

-рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,

-рекомбинацией образовавшихся фотопар на поверхностях и в объёме фотоэлектрических преобразователей,

-внутренним сопротивлением преобразователя,

Тепловые приёмники оптического излучения реагируют на энергию, поглощённую чувствительным приёмным элементом. Поглощённая энергия приводит к нагреванию чувствительного элемента и повышению его температуры, которая может быть измерена непосредственно. Возможна регистрация и вызванных нагревом изменений каких-либо других физических параметров вещества этого чувствительного элемента, например электропроводности, давления газа и т. п. Современные тепловые приёмники позволяют обнаруживать повышение температуры термочувствительного элемента при его облучении на 10^(-6)-10^(-7)К и измерять мощности ~10^(-11) Вт.

Термоэлементы (термопары) –приёмники оптического излучения, основанные на термоЭДС, эффекте Зеебека - возникновении ЭДС в контуре из различных материалов, спаи которых имеют неодинаковую температуру. На один из спаев контура направляется измеряемое излучение, что приводит к повышению температуры этого спая по сравнению с темп-рой другого (холодного) спая. Возникающая при этом ЭДС служит мерой измеряемого потока излучения.

Применение термопар для измерения температуры различных типов объектов и сред, а так же в автоматизированных системах управления и контроля.

Преимущества термопар

-Большой температурный диапазон измерения: от -200 °С до 1800—2200 °С

-Простота

-Дешевизна

-Надежность

Недостатки

-Точность более 1 °С трудно достижима, необходимо использовать термометры сопротивления или термисторы.

-На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку.В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.

-Эффект Пельтье (в момент снятия показаний, необходимо исключить протекание тока через термопару, т.к. ток, протекающий через неё, охлаждает 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 характеристики и погрешностям до 5 К.

-на большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Болометры - приёмники, действие которых основано на изменении некоторых физических параметров чувствительного элемента при его нагревании вследствие поглощения потока излучения. Наибольшее распространение получили болометры сопротивления, основанные на зависимости электрического сопротивления металлических и полупроводниковых материалов от температуры. Термочувствительный элемент болометра представляет собой тонкий слой металла, поверхность которого покрывается слоем черни, имеющей большой коэффициент поглощения в широкой области длин волн. Полупроводниковые болометры (термисторы) изготовляются из Ge и Si, a также из окислов Ni, Mn, Co. Сверхпроводящие болометры работают при глубоком охлаждении (3-15 К). Они основаны на использовании резкого изменения электрического сопротивления металла в области перехода его от нормального состояния к сверхпроводящему. Для уменьшения влияния тепловых помех современные болометры делают компенсационного типа, когда в два плеча мостовой схемы включены одинаковые термочувствительные элементы. Излучение направляется на один элемент, а другой служит для компенсации изменения температуры окружающей среды и радиационных помех. Для уменьшения порога чувствительности площадь болометрические полоски делается небольшой, а для уменьшения постоянной времени - очень тонкой. Из-за своей малой толщины пластинка под действием излучения быстро нагревается и её сопротивление повышается. Для измерения малых отклонений сопротивления пластинки её включают в мостовую схему, которую балансируют в отсутствие засветки.

Болометр чувствителен ко всему спектру излучения. Но применяют его в основном в астрономии для регистрации излучения с субмиллиметровой длиной волны (промежуточное между СВЧ и инфракрасным): для этого диапазона болометр — самый чувствительный датчик. Источником теплового излучения может быть свет звезд или Солнца, прошедший через спектрометр и разложенный на тысячи спектральных линий, энергия в каждой из которых очень мала.

Пироэлектрические приемники оптического излучения- приборы, в основу которых положен пироэлектрический эффект кристаллов. Его сущность заключается в изменении поляризации пироактивного кристалла в процессе изменения температуры на его гранях. Пироэлектрический эффект проявляется только при наличии изменения температуры кристалла во времени, т.е. при регистрации модулированного или импульсного излучения.

Пироэлектрические приемники реагируют на изменения температуры, а значит и на изменения освещенности чувствительного слоя. Чтобы пироэлектрический приемник среагировал, достаточно разности температуры между объектом и окружающей средой в 5 ºС.

Чувствительным элементом датчика, преобразующего тепловое излучение в заряд является пироэлектрический элемент. Пироэлектрический приемник является пассивным приемником ИК излучения, он не нуждается в искусственном источнике излучения подсветки. Почти все пироэлектрические приемники, встречающиеся в продаже, имеют встроенный усилитель сигнала датчика.

Датчик с пироэлектрическими приемниками используются в системах сигнализации, автоматическом включении освещения, открытия дверей, кранов, включения сушилок для рук, наблюдения за животными и т.д.

Пироэлектрические приемники способны работать в широком спектральном диапазоне излучения: от ультрафиолетового до волн длиной 0,3 мм. Наиболее часто в датчиках используется оптический диапазон 6-16 мкм.

Спектр рабочих длин волн ограничивается путем установки оптического фильтра перед пироэлектрическим приемником, который ведет себя как конденсатор, заряжающийся менее чем на 1 мВ при изменении температуры чувствительного слоя под воздействием падающего излучения. Поскольку необходимо, чтоб эти изменения происходили как можно быстрее, чувствительные элементы изготавливают в виде очень тонких пластинок или пленок. Тем не менее требуется несколько десятых долей секунды для того, чтобы выходное напряжение приемника достигло максимального значения после изменения температуры. В действительности напряжение конденсатора никогда не достигает теоретического максимума, так как конденсатор разряжается из-за проводимости своего диэлектрика. Таким образом, изменение температуры запоминается лишь на несколько секунд.

47

Физические величины и единицы потоков ионизирующих излучений

Принятая в настоящее время система величин включает в себя семь

основных (длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамиче-

ская температура, количество вещества и сила света), две дополнительных

(плоский угол и телесный угол) и большое количество производных вели-

чин. Все величины, характеризующие ионизирующие излучения, являются

производными. РД 50-454-84 делит радиационные величины на четыре

группы:

1) величины, характеризующие ионизирующее излучение и его поле;

2) величины, характеризующие взаимодействие ионизирующего излучения с веществом;

3) дозиметрические величины;

4) радиационные величины, характеризующие источники ионизирую-

щих излучений.

Единицы потоков ионизирующих излучений.Поглощенная доза излучения - Грэй (Gy,Гр). Грэй равен поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия любого ионизирующего излучения 1 Дж.

Мощность поглощенной дозы излучения (мощность дозы излучения) - Грэй в секунду (Gy/s,Гр/с). Грэй в секунду равен мощности поглощенной дозы излучения, при которой за время 1 с облученным веществом поглощается доза излучения 1 Дж/кг. Активность нуклида в радиоактивном источнике - Беккерель (Bq,Бк). Беккерель равен активности нуклида, при которой за время 1 с происходит один акт распада.

Приёмники рентгеновского и гамма-излучений (ионизационные камеры радиолюминесцентные приёмники, полупроводниковые приёмники): принцип действия, устройство, назначение.

Приёмники излучения, устройства для преобразования сигналов электромагнитного излучения (в диапазоне от рентгеновских лучей с длиной волны l = 10-9 см до радиоволн с l = 10-1 см, о приёмниках электромагнитного излучения с меньшей длиной волны) в сигналы др. физической природы с целью их обнаружения и использования (изучения) информации, которую они несут.

Ионизационная камера - простейший газонаполненный детектор. Она представляет собой систему из двух или трёх электродов в объеме, заполненном газом (He+Ar, Ar+C2H2, Ne). Ионизационная камера может быть выполнена в виде плоского или цилиндрического конденсатора. Величина прикладываемого напряжения (обычно сотни вольт) подбирается так, чтобы образованные в камере при пролёте заряженной частицы свободные заряды максимально быстро, не успев рекомбинировать достигали электродов.

Ионизационные камеры бывают интегрирующие и импульсные. В интегрирующих камерах при больших потоках частиц импульсы сливаются и регистрируется ток пропорциональный среднему энерговыделению.

В импульсных камерах регистрируются отдельные импульсы от каждой ионизирующей частицы. Импульсные камеры обычно трехэлектродные. Рабочим объемом служит пространство между катодом и сеткой. Образовавшиеся в результате ионизации электроны под действием поля Eкс двигаются по направлению к сетке, проходят ее под действием поля Eса > Eкс и собираются на аноде. Более подвижные электроны собираются за время 10-6 с. Положительные ионы, время сбора которых на три порядка больше за это время остаются практически на месте. Сетка экранирует анод от индукционного воздействия положительных ионов. Временнoе разрешение ионизационной камеры определяется временем сбора зарядов. Таким образом, при регистрации импульса тока от электронов временнoе разрешение ионизационной камеры будет достигать 10-6 с. Если частица полностью останавливается в объёме камеры, то по величине собранного заряда (количеству электронов, пришедших на анод) легко определить энергию частицы. Эта энергия равна произведению числа электронов n на среднюю энергию , необходимую на образование частицей одной пары электрон-ион (для газа 30-40 эВ).

Радиолюминесцентные детекторы.

Под воздействием ионизирующего излучения некоторые твердые тела изменяют характер поглощения ими светового потока. Возникающие при этом центры люминесценции используются для обнаружения ионизирующего излучения. Распространение получили детекторы из метафосфатов щелочноземельных и щелочных металлов, в которые в качестве активатора введено серебро. Расшифровывающий прибор возбуждает люминесцентные центры, пропорциональные поглощенной энергии, и измеряют получившийся при этом радиофотолюминесцентный световой поток.

полупроводниковые приёмники

При подключении к полупроводниковому р-n переходу внешнего напряжения в зависимости от его полярности размер области перехода либо увеличивается (рис 1 в), либо уменьшается (рис 1 б) по срав­нению с величиной d без внешнего напряжения (рис 1 а). Соединение полупроводника р-типа с отрицательным, а n-тип с положительными полюсами, источника напряжения производит дальнейшее удаление свободных носителей из области вблизи перехода. Поэтому чувстви­тельный объем детектора (d) увеличивается, а его электрическая емкость уменьшается. При обратной полярности подключения внешнее напряжение ослабляет поле р-n перехода, поставляя туда свободные носители зарядов. Через переход в этом случае протекает электриче­ский ток.

Рис 1 Схема образования р-n перехода в полупроводнике (а) и его изменение при подключении внешнего напряжения U_B различной полярности (б, в). U_n - напряжение р-n перехода, создаваемое объемными зарядами доноров и акцепторов. Свободные носители зарядов отмечены значками плюс и минус в кружках

Таким образом, область р-n перехода ведет себя как диод и характе­ризуется односторонней примесной проводимостью.

При любом способе подключения через р-n переход протекает не­который собственный ток Ic, вызванный переносом электронов в зону проводимости за счет тепловой энергии. Этот ток называется также темновым током.

Заряженная частица, попадая в полупроводник, ионизирует и возбу­ждает преимущественно атомы основного элемента. При ионизации электрон переходит из полностью заполненной валентной зоны в зону проводимости и образуется два свободных носителя электрон - дырка. Если такая пара образуется вне р - n перехода, то в цепи не будет тока, т. к. все напряжение приложено к области перехода, а за пределами пе­рехода разность потенциалов отсутствует.

При появлении зарядов в области р-n перехода, через детектор в течении короткого времени будет протекать ток I и существует возможность зарегистрировать импульс напряжения на сопротивлении нагруз­ки R (см. рис. 2) рис2

Рис.2 Схема включения полупроводникового детектора с р-n переходом. Стрелкой отмечена передача сигнала из точки А на устройство анализа им­пульса напряжения с нагрузочного сопротивления R. С и С_р - электрическая емкость детектора и разделительная емкость. U - источник высокого напряже­ния

Необходимо, чтобы величина тока сигнала I была значительно больше темнового тока Ic.

Величина темнового тока не должна превышать значений (10^9 – 10^10) А. Это условие хорошо выполняется для детекторов на ос­нове кремния при комнатной температуре, а для германиевых - только при их охлаждении до температуры примерно равной - 150°С.

Средняя энергия, необходимая заряженной частице для создания одной пары зарядов электрон-дырка в полупроводнике е, примерно в три раза больше ширины запрещенной зоны. Около двух третей энергии заряженной частицы расходуется на возбуждение ато­мов и в конечном счете переходит в колебательную (тепловую) энер­гию кристалла. Значение е в полупроводниковом детекторе примерно на порядок меньше средней энергии образования одной пары ионов в газе. Во столько же раз больше будет и амплитуда импульса для полу­проводникового детектора по сравнению с газовым счетчиком при про­чих равных условиях.

Подвижность электронов и дырок, а следовательно и время их соби­рания, отличаются менее чем в три раза. В детекторе всегда произво­дится полное собирание электронов и дырок и отсутствует индукцион­ный эффект. При понижении температуры подвижность зарядов резко увеличивается, особенно для дырок. Поэтому при охлаждении улуч­шаются временные характеристики детектора, а время сбора электро­нов и дырок почти сравниваются по величине.

Время собирания носителей зарядов в полупроводниковом счетчике по порядку величины равно 10с при скорости движения зарядов око­ло 10^7 см/с и расстоянии до электродов порядка 1см. Поэтому полу­проводниковые детекторы отличаются быстродействием и малым раз­решающим временем.

Полупроводниковые детекторы по методам изготовления и своим конструктивным особенностям подразделяются на следующие виды: поверхностно-барьерные, диффузионные и детекторы p-i-n типа.

поверхностно-барьерные p-n переход в таком типе детекторов образуется окислением поверхности основного материала кремния n- типа.

Диффузионные детекторы изготавливаются за счет диффузии в поверхностный слой р- или п- полупроводника донорны.х или акцеп­торных атомов. Большинство таких детекторов изготавливаются из р-кремния, который в качестве донора содержит атомы фосфора. При температуре 500 - 800°С фосфор, диффундируя в кремний, не только компенсирует акцепторные примеси, но и превращает поверхностный слой кремния толщиной около одного мкм в n-кремний, образуется р-п переход с толщиной в несколько десятых долей миллиметра. Поэтому е помощью диффузионного детектора можно регистрировать такие же частицы, как и с помощью поверхностно-барьерного счетчика.

Детекторы p-i—п типа. Такие детекторы обладают большой толщиной чувствительного слоя d и позволяют проводить измерения гамма-квантов и заряженных частиц со значительной энергией. Величину слоя d, обедненного от свободных носителей зарядов можно наращивать за счет увеличения напряжения, приложенного к р-n переходу.

48

Акустика-область физики как учение о звуке. Звук – распространение упругих колебаний в газах, жидкостях и твердых телах, воспринимаемых чел. ухом, частота которых 16÷20000Гц. Колебания ↓ частот – инфразвук и ↑ - ультразвук челом не воспринимаются, но их принято относить к акустике. При распространении акуст.волн возникают деформации сжатия в газах и жидкостях и сжатия или сдвига в т.т., которые переносятся из одних областей среды в другие.

В акуст.волнах происходит перенос энергии, если деформация периодическая, то длина колебаний λ=V/f.

Область упругой среды, в которой распространяются колебания наз-ся звуковым полем.

Основные акустические величины:Статическое давление, звуковое давление, звуковая энергия, звуковая мощность (поток звуковой энергии), интенсивность звука (сила звука), акустическое сопротивление (импеданс), удельное акустическое сопротивление.

Звуковое давление имеет наибольшее значение, именно оно и воспринимается ухом чела и большинством приемников. Между звуковым давление (р) и интенсивностью звука существует соотношение: І=р²/ρυ, ρ-плотность среды.

В мед. Акустике применяют понятия:

Тон - звуковое определение частоты (обычно частота гармонических колебаний).

Обертон – составляющая сложного колебания, выделенное при его анализе и имеющая большую частоту, чем основной тон.

Шум – звук, характеризующийся сложной неповторяющейся временной зависимостью.

Спектр звука – хар-ка звука, полученная в результате разложения звука на простые гармонические.

Порог слышимости – звук интенсивностью І₀=10^-12Вт/м2 или звуковым давлением Р₀=2*10^-5Па при частоте 1Гц.

Порог болевого ощущения – звук интенсивностью Іmax=10Вт/м2 или Рmax=60Па при частоте 1кГц.

Величины І и Р подчиняются закону, имеющему экспоненциальный характер, их изменения могут отличаться по значению на несколько порядков, поэтому для их представления удобнее исп-ть lg-ие величины-уровни. Уровень интенсивности звука принято определять как десятичный lg отношения интенсивности к порогу слышимости или давления к порогу давления:L= lgІ/І₀ ,[L]=[Б]-Бел. Не редко используется дБ. При использовании lg-их величин нужно оговаривать значение исходной величины, использованной для определения уровней. Используют кроме объективных субъективные величины: громкость определяет размер слухового ощущения для данного звука. При неизменной частоте и форме звук. колебаний громкость возрастает с увеличением интенсивности. Уровень громкости Е= КlgІ/ І₀ , К-коэф. пропорциональности, он сильно зависит от частоты и интенсивности звука. При частоте 1кГц условно считается, что шкалы громкости и интенсивности совпадают, т.е. К=1.

Акустоэлектрические преобразователи (микрофоны).

Это технические устройства для преобразования акуст.колебаний возд.среды в электрические. Основные технические характеристики микрофона:

Номинальный раб.диапазон частот-диапазон частот, в котором определяются хар-ки микрофона 1-5кГц.

Чувствительность – отношение Uвых к звуковому давлению, которое действует на микрофон.

Частотная хар-ка – зависимость Uвых от частоты звука при постоянном звук.давлении в определенном месте пространства от микрофона. Ею определяются динамические св-ва микрофонов. Частотная хар-ка определяется уровнем L напряжения U, причем за исходное принимается U, возникающее при частоте 1кГц. Если динамические св-ва идеальны, то в диапазоне частот хар-ка представляет собой прямую линию и такую частотную характеристику наз. равномерной. Реальные частотные хар-ки неравномерны. Неравномерность частотной характеристики – отношение max чувствительности к min в номинальном диапазоне частот, выражается в дБ.

По принципу действия: угольные, электромагнитные, электродинамические, электростатические, пьезоэлектрические акустоэлектрические преобразователи.

1)В работе э/д микрофона исп-ся явление э/м индукции. Основные части: Ш-образный магнит, катушка, диафрагма. Катушка из тонкого провода удерживается диафрагмой в зазоре постоянного магнита, и она надета на среднюю часть Ш-магнита. Под действием звукового давления диафрагма колеблется, а вместе с ней и катушка. При колебании катушки пронизывающий ее магнитный поток будет переменным, и это вызывает появление переменной ЭДС. Тем самым мех.колебания преобразуются в электрические. Выход катушки можно подключить к усилителю и добиться громкости. Номинальный раб.диапазон частот 10-15кГц. Uвых пропорциональна величине силы давления.

2)В пьезоэл.микрофонах используется пьезоэл. эффект. Основной элемент пьезоэл. пластина. На боковые стенки ее нанесены тонкие Ме электроды. При деформации пластины под действием звук.давления возникает прямой пьезоэф-т, т.е. между электродами возникает переменный ЭДС. Такой микрофон обычно соединен с резистором, с которого снимают напряжение и передают на усилитель.

В последнее время наиболее современными считают электростатические микрофоны, их 2 разновидности: конденсаторные и электретные-это диэлектрики, которые долгое время сохраняют поляризацию.

3)Работа конд. микрофона основана на изменении электр.емкости конденсатора под действием звукового давления. Микрофон содержит жестко натянутую мембрану, сверху которая покрыта тонким Ме слоем. В нижней части нах-ся неподвижная Ме пластина. По периметру м/д пленкой и нижней пластиной нах-ся прокладка из диэлектрика. Кондер. включ.в электрич.цепь с источником пост.напряжения, за счет энергии источника кондер заряжается. При колебаниях мембраны с частотой воздействующего на нее зв.давления изменяется расстояние м/д электродами кондера, поэтому изменяется его емкость, что вызывает изменение падения напряжения в кондере и появление переменного тока, частота которого равна частоте колебания звук.давления. Поскольку колебания пластины гармонические, то падения напряжения на резисторе будет изменяться по гармоническому закону, в такт со звуковыми колебаниями. Амплитуда колебаний доли микрона, поляризующее напряжение несколько 10В, номинальный диапазон частот превышает диапазон слышимых звуковых колебаний 10-40кГц.

4)Электретные тоже конденсаторные, но пост.напряжение поляризации обеспечивается использованием спец.мембраны, изготовленной из электрета. Электретная мембрана способна длительное время 10 и более лет сохранять поляризованное состояние, т.е. заряды различных знаков на своих поверхностях, тим обеспечивается внутр.поляризация конденсатора. При колебаниях такой мембраны С изменяется, что при постоянной разности потенциалов м/д поверхностями самой мембраны вызывает изменение заряда кондера и протекание тока ч/з нагрузку. Частота тока нагрузки = частоте звук.колеб. Зазоры м/д обкладками малы →напряженность поля, создаваемое электретом значительно. М/д обкладками кондера создается напряжение несколько вольт, и в некоторых случаях не требует усиления. «+»-отсутствие ИТ и широкий диапазон рабочих частот 20÷20000Гц. При высоком внутр.сопротивлении устройство будет хорошо работать.

49

Виды давлений:

Атмосферное(барометрическое) давление –давление массы воздушного столба атмосферы.

Абсолютное давление- давление отсчитываемое от абсолютного нуля, за нуль принимается давление внутри сосуда, из которого полностью откачан воздух.

Избыточное давление- разность между абсолютным и атмосферным давлениями.

Разряжение(вакуум)- разность между атмосферным и абсолютным давлением, когда последнее меньше атмосферного.

Классификация средств измерения р :

-по виду измеряемого давления:

1)манометры избыточного давления

2)манометры абсолютного давления

3)барометры для измерения атмосферного давления

4)вакуумметры для измерения разрежения(вакуума)

5)мановакууметры для измерения избыточного давления и разрежения.

6)вакуумметры остаточного давления – для измерения малого абсолютного давления(менее 200Па)

7)дифференциальные манометры – для измерений разности двух давлений

-по принципу действия:

А)жидкостные Г)поршневые

Б)деформационные Д)тепловые

В)электрические Ж)ионизационные

Жидкостные приборы: А)-U-образные манометры(p=0-400 до 0-1600 мм ст) ,погрешность - 2мм.

Являются наиболее точными и простыми жидкостными средствами измерения давления.

А)U- образный манометр, наполнен, жидкостью до отметок 0-0, в состоянии равновесия P₁-P₂=ρgh, h=h₁+h₂, если внутренний диаметр трубок одинаков, то можно удвоить h₂ , тогда P₁-P₂=2(ρ- ρ_с)gh₂.—режим дифференциального манометра, если правую трубку соединить с атмосферой, то получим вакуумметр.

Б)Самопищущий манометр

В)Чашечный манометр Обьёмы жидкостей: H₁F₁=H₂f и H₁=H₂(f/F) f,F-площади поперечных сечений.

P₁-P₂=ρgh₂(1+f/F)≈ρgh₂

Г) Микроманометр с наклонной трубкой (для малых давлений)

P₁-P₂=ρg h₂=ρgnsinα

Микроманометр заполняют спиртом или водой.

Деформационные приборы: принцип действия основан на эффекте возникновения по дейтвием Р, упругой деформации чувствительного элемента.

Чувствительные элементы:

Трубчатая пружина(манометрическая, одновитковая)-упругая мет.трубка, один конец которой подвижен, а другой жёстко закреплён и на него подаётся P. Изогнутая по окружности трубка с овальным сечением, под воздействием Р стремиться принять круглую форму(пунктир на рисунке б).

Деформация сечения трубки вызывает перемещение её незакреплённого конца.Угол γ уменьшается.Δγ =kγP=KP, K-коэфф., преобразования трубчатой пружины.

-манометр деформационный с одновитковой пружиной.

Отклонения Δγ=10-12° трубчатой пружины(3)через тягу(9) передаётся усилителю угловых перемещений(7) Δγ=270-300°

На оси механизма укреплена стрелка(6) соединённая с отсчётным механизмом(5).

P=0-0.1 – 0-1000 МПа и вакуум при P=-0.1-0 МПа, КТ=0,1-4,0

Мембраны-упругие плоские(в) или горфрированные (г) пластины. Статические характеристики мембран нелинейны. Поэтому пропорциональная зависимость сохраняется между перемещением δ и P, при технически приемлемом диаметре мембраны в несколько десятых долей мм. Что позволяет использовать их электрических преобразователях движения. Для горфрированных мембран линейность характеристики (рис д 1 )сохраняется при существенно больших перемещениях (δ=1-3 мм). При необходимости получения большого значения перемещения используют соединение 2 мембран, рис е, --анероид(т.е. не содержащий влаги), или мембранная коробка.

-Мембранный манометр.Давление передаётся анероиду(11), перемещения которого поступают через шток(12) к механическому преобразователю лин.перемещений(13). Шкала манометра подвижная для установки на нуль.

Диапазон Р=0-300 мм.рт.ст. Погрешность прибора 0,67кПа(5 мм.рт.ст)

Сильфоны-тонкостенные металлические цилиндры, боковая поверхность которых снабжена поперечными гофрами.Происходит перемещение дна сильфона вверх, что описывается уравнением: δ=knP=K_cP, K_c-коэфф преобразования сильфона(k зависит от материала, конструкции сильфона, n-число гофров).

--Сильфонный манометр

При подаче Р в сильфонную коробку(15) происходит перемещение сильфона(16) с винтовой пружиной жёсткости(17), соединённой с штоком(12).Р=0,025-0,4 МПа, КТ=1,5-2,5.

Датчики давления

Предназначены для преобразования Р в электрический сигнал. Чувствительным элементом является плоская, упругая мембрана(4), которая оказывается под влиянием двух сил давлений Р₁,Р₂, в одной из образовавшихся камер располагается преобразователь перемещения(5) с выводами(3). Если используется пьезоэлектрический преобразователь то он располагается в правой камере, датчики этого типа могут измерять только непрерывные, быстроизменяющиеся давления.

Ёмкостные преобразователи так же помещаются в правой камере, мембрана является в данном случае обкладкой C.

Тензорезистивные преобразователи. На рис.в изображена плоская мембрана(4) на которой нанесено 4 п/пр тензорезистора. Сигнал неуравновешенного моста снимается с a-b,усиливается усилителем(7).На графике(г) касательные напряжения σ_τ имеют постоянный знак а радиальные σ_r изменяют его,в зависимости от диаметра мембраны, в связи с этим у R2 R3,вблизи края мембраны, с увеличением давления сопротивление будет уменьшаться, а у R1 R4

наоборот.Использование данной схемы позволяет увеличить чувствительность прибора, независимость от температуры.

КТ=0,5-1

Средства инвазивных измерений Р:

Требуют хирургического вмешательства. В зависимости от расположения датчика различают:

-установки с внешним датчиком давления. Катетер(1) вводят через артерию в точку измерения давления. До введения камеру датчика и катетер промывают физиологическим раствором с избыточным давлением, создаваемым грушей (10), промывка идёт при закрытых кранах (2,7).Физиологический раствор подаётся переодически в процессе измерения давления крови. Трёхходовый кран(2) переключается в начале измерений для выравнивания начального сигнала датчика давления(4) при закрытом(7). В процессе измерения давление крови передаётся физ раствору, и влияет на мембрану датчика.вырабатывающего Эл сигнал, который по кабелю(5) выводиться на монитор(6).

Важно проводить учёт гидростатического давления при измерениях малых давлений крови (венозного).

-с концевым катетерным датчиком давления(рис б) отличается меньшей инерционностью, отсутствием необходимости учёта положения измеряемой точки в пространстве. 5-кабель, 12-измерительный блок.

Датчики :

-Индуктивный датчик. Мембранный блок(2,5,7) перемещающийся под влиянием давления перемещается вправо, что увеличивает индуктивность катушки(4), изменения индуктивности катушки преобразуются в Эл. Сигнал и передаются по кабелю 6.

-Оптоволоконный датчик(рис б) Под действием давления Р, металлическая мембрана(12) изменяет свои способности отражать световое излучение от светодиодов(9), что регистрируется фотодиодом (10) с помощью оптоволоконных соеденительных пучков(11).

-Тензорезистивный датчик Часть верхней Si пластины (16) вытравлена до 15 мкм толщины, часть её служит мембраной(17) воспринимающей давление, на её нижней стороне расположены тензорезисторы(14) включенные в схему неуравновешенного эл. моста, мост получает питание от измерительного блока, туда же посылается разбаланс изм диагонали моста, мост соединен с изм блоком кабелем(6).Средства неинвазивных измерений Р:

Приборы этого типа называют сфигмоманометрами.

Используется Метод развертывающего измерительного преобразования,P-действит. Значение давления пациента, Pм(t)-изменяемое значение давления.

методики:

Пальпаторная методика измерения давления заключается в компрессии и декомпрессии создаваемого давления и сравнения с систолическими (диастолическим) давлением. Метод позволяет точно измерить систолическое давление.

Аускультативная методика измерения давления заключается в применении прослушающего устройства, по действию аналогична предыдущей.

Полуавтоматический аускультативный измеритель арт.давления, накачка воздуха проводиться вручную, после этого все операции проводятся автоматически, используются тензорезистивные датчики.

Ультразвуковая методика измерения основана на эффекте Доплера. Используются пьезоэлектрич.датчики.

Осциллометрический метод измерения давления. Является наиболее распространённым.

Признаком равенства давлений являются небольшие колебания (осцилляции) воздуха во внутренней полости манжеты(1), вызванные колебаниями стенки артерии.

Используются две измерительные цепи.В первой цепи(4-5-8) сигнал датчика только усиливается, а во второй(4-6-7-8) усиливается и подвергается фильтрации, из которой выделяется сигнал несущий информацию о колебаниях давления стенок артерии.Рс Рср --Значения сигналов первой цепи обработки запоминаются микропроцессором(8). Для определения диастолического давления пользуются формулами: Pд=1,72Рср-0,724Рс или Рд=1,5Рср-0,5Рс

Измеренные и косвенно измеренные величины отображаются на дисплее(9)

Фотоэлектрические измерители используют в своём устройстве эффект изменения характеристик поглощения и рассеяния света в зависимости от сердечной деятельности, и в частности от пульсации артериального давления в пальце пациента .

50

Принципы и средства измерений расхода и количества жидких и газообразных сред.

Количество жидких и газообразных сред определяется их массой или объёмом. Расходом называют количество жидкой или газообразной среды, протекающеё через данное сечение канала в единицу времени. Часто в качестве единицы объёмного расхода используется литр в час(л/час) и миллилитр в секунду(мл/с). Средний массовый Gср и средний объёмный Qср расходы определяются из выражений : Gср=m/(t1-t2) Qср=V/(t1-t2)

Где t2-t1 –интервал времени, за который масса m и объём V жидкости и газа протекает через данное сечение.

Мгновенный расход определяется как производная от количества вещества, протекающего через данное сечение по времени, а именно: массовый и объёмный расходы определяются из выражений: G=dm/dt; Q=dV/dt/

Средства измерений расхода жидкости или газа называются расходомерами.

Путём интегрирования результатов непрерывного измерения расхода можно определить количество жидкости или газа, прошедшее через расходомер за интервал времени t2-t1 V=∫Qdt

Средства измерений количества жидкости или газа называют счётчиками.

Для получения корректных результатов измерений необходимо учитывать режимы течения жидкости или газа по трубе.

Принято различать ламинарный и турбулентный режимы течения жидкости и газа. При ламинарном равномерном установившемся течении слои жидкости или газа перемещаются как бы слоями, параллельными направлению течения, и не смешиваются друг с другом.

При турбулентном равномерном установившемся течении элементы жидкости или газа, перемещаясь в целом поступательно, совершают ещё перемещения по случайным неопределённо искривлённым траекториям. Движение жидкости или газа при этом сопровождаются поперечным перемешиванием.

Дроссельные расходомеры

Работа дроссельных расходомеров основана на возникновении разности давлений на дросселе, установленном в потоке жидкости или газа.

Дроссельный расходомер содержит дроссель, размещённый в трубопроводе, и датчик разности давлений. При протекании измеряемого потока в дросселе, имеющем площадь поперечного сечения меньшую, чем площадь трубопровода, скорость движения жидкости или газа увеличивается. Благодаря этому происходит определённая потеря энергии потока, поэтому статическое давление Р2 на выходе сужающего устройства будет меньше, чем давление Р1 на его входе. Разность давлений Р1-Р2=ΔР, которую обычно называют перепадом давлений, несёт информацию о расходе среды, протекающей через дроссель. Дроссельные расходомеры называют также расходомерами переменного перепада давлений.

Зависимость между расходом и перепадом определяется типом дросселя, а также тем, за счёт каких процессов происходит потеря энергии на них, что определяет режим течения через дроссель. В связи с этим дроссели разделяют на турбулентные, ламинарные и смешанного типа.

Турбулентные дроссели представляют собой диски с центральным отверстием, размещаемым поперёк потока. Наибольшее применение имеют диафрагмы.

Характерным для такх дросселей явл-ся малое отношение толщины диска к диаметру отверстия. В таких дросселях потеря давления при протекании потока вызывается местным сопротивлением и потерями энергии, возникающими за счёт вихревых движений, сопровождающих сужение потока в отверстие дросселя. Зависимости массового и объёмного расходов от перепада давлений на турбулентном дросселе являются нелинейными.

Ламнарные дроссели представляют собой трубки с отношением длины l к диаметру, большему 50, которые называют капиллярами. В трубке обеспечивается ламинарный режим течения. Потери давления при этом обуславливаются в основном наличием трения среды о стенки трубки.

Зависимости массового и объёмного расходов от перепада давлений на турбулентном дросселе являются линейными.

В дросселях смешанного типа не соблюдается чисто ламинарное или турбулентное течение. Потери давления определяются как вихревыми движениями, так и трением между слоями среды и трением о стенки трубки. Зависимости между массовым, объёмным расходами и перепадом давлений для дросселей смешанного типа являются нелинейными и не имеют аналитического описания, обычно определяются экспериментально.

Погрешность измерений расхода дроссельными расходомерами составляет ±(2-5)%

Расходомеры скоростного напора

Работа расходомеров скоростного напора основана на эффекте преобразования кинетической энергии потока жидкости или газа в потенциальную, которое реализуется в так называемых напорных трубках. Измерение расхода данным типом устройств также базируется на измерении максимальной скорости потока и использовании определённой заранее зависимости между этой скоростью и средней скоростью потока. Погрешность расходомеров скоростного напора составляет ±(2-5)%

Ротатометры

Ротатометры- одна из разновидностей расходомеров обтекания, измерение расхода с помощью которых осуществляется по перемещению некоторого тела(тела обтекания), размещённого в потоке жидкости или газа, под действием динамического давления этого потока.

При изменении расхода измеряемой среды, например при увеличении под действием динамического давления, поплавок ротаметра перемещается вверх, при этом увеличивается площадь Fк поперечного кольцевого сечения между конической стенкой и цилиндрическим поплавком (рис. 10.4, /а) или цилиндрической диафрагмой и коническим поплавком. Это уменьшает сопротивление потоку среды. При каждом значении расхода (в пределах диапазона измерения ротаметра) имеет место равенство веса поплавка Gп и силы N, возникающей за счет действия разности давлений P1 —Р2 на поплавок: Таким образом, при всех положениях поплавка перепад давлений на поплавке, а следовательно, и на ротаметре остается постоянным, поэтому ротаметры еще называют расходомерами постоянного перепада давлений.

Ротаметры такой конструкции чрезвычайно удобны для контроля потоков жидкости и газа, так как результат измерений может быть получен без каких-либо вспомогательных устройств. Они обеспечивают широкий диапазон измерений расходов жидкостей и газов и имеют классы точности 1,5—5,0.

Турбинные расходомеры

Принцип действия турбинных расходомеров основан на измерении скорости вращения турбинки, размещенной в потоке жидкости или газа. Турбинные расходомеры применяют в устройствах для исследования системы дыхания. Применяемые турбинные расходомеры отличаются друг от друга в основном устройством для измерения числа оборотов. В них используют емкостные, гальваномагнитные, индуктивные, индукционные и фотоэлектрические преобразователи числа оборотов в электрический сигнал. При протекании через расходомер потока под действием его кинетической энергии турбинка вращается, а число оборотов турбинки в единицу времени измеряется преобразователем скорости вращения. Предварительно с помощью индикатора направления вращения определяется направление протекания потока газа. Сигнал преобразователя скорости вращения воспринимается блоком обработки и отображения информации. Турбинные расходомеры имеют класс точности 1—5.

Капельные расходомеры. Принцип действия капельных расходомеров основан на подсчете числа капель жидкости, расход которой измеряется в единицу времени. Объемный расход при этом описывается выражением: Q=N*Vк

где N— число капель, проходящих через расходомер в единицу времени; Vк— объем капли. Объем капли VK при постоянном составе жидкости можно считать постоянной величиной.

С помощью каплеформирователя поток жидкости, например крови, преобразуется в поток капель одинакового объема. Постоянство объема капель определяется постоянным диаметром отверстия капилляра каплеформирователя и постоянством поверхностного натяжения жидкости. В момент, когда вес капли становится больше силы поверхностного натяжения, удерживающей каплю на торце каплеформирователя, капля отрывается от последнего и, пролетая между лампочкой и фотодиодом, изменяет (уменьшает) фотопоток, поступающий в фотодиод. Это уменьшает сигнал последнего. Изменение сигнала фотодиода воспринимается усилителем, сигнал которого подается в блок обработки и отображения информации, где подсчитывается значение N, определяется объемный расход Q и отображается результат измерений.

Спирометры и спирографы. Спирометры— приборы для исследования внешнего (легочного) дыхания (легочной вентиляции) путем измерений легочных объемов. Циркуляция воздуха из атмосферы в легкие (вдох) и обратно (выдох) происходит за счет деятельности мышц грудной клетки. Спирометры, снабженные системой регистрации результатов измерений, называются спирографами. Кроме легочных объемов спирометры позволяют определять основные показатели легочной вентиляции, исследовать механику дыхания и оценивать результаты терапевтических воздействий. В зависимости от измеряемой величины различают волюмоспирометры (измерение объема газа), и пневмотахометры или флоуспирометры (измерение объемного расхода (объемной скорости) газа, по которому интегрированием может быть определен объем газа). Имеется множество конструкций волюмоспирометров. В зависимости от наличия или отсутствия в конструкции спирометра затворной жидкости (обычно воды), различают водяные(колокольные и барабанные) и сухие (безводные; меховые, клиновые, сильфонные, роликовые, миниатюрные счетчики с тангенциальной турбинкой и мешки) спирометры

Плетизмографы— приборы для определения измен-я объема конечностей, вызываемых изменением их кровенаполнения, причем плетизмографы обеспечивают неинвазивные измерения этих изменений, информация используется для вычисления кровотока. В настоящее время применяют механические, электроплетизмографы и фотоплетизмографы.

Механические (окклюзивные) плетизмографы. Принцип действия основан на измерении изменения объема воздуха или воды, которое возникает при увеличении объема конечностей или некоторой ее части за счет артериального кровотока при отсутствии венозного кровотока. При этом венозный кровоток исключается наложением пережимающей(окклюзивной ) манжеты.

Электроплетизмографы (электроимпедансные плетизмографы или реографы). Принцип действия основан на измерении полного электрического сопротивления исследуемого участка тела, которое зависит от его наполнения кровью. Будет вернее называть их «электроимпедансный плетизмографами», так как это отражает принцип действия рассматриваемого прибора. Однако чаще используют термин «реограф» (записывающий течение). Известно, что прохождение пульсовой волны кровотока через некоторый участок тела, увеличивает его объем, и установлено, что при этом уменьш-ся полное сопрот-е этого участка, что и использ-ся в работе реографов.

Фотоплетизмографы. Принцип дейтсвия основ. на использовании явления поглощения и отражения оптич-го излуч-я исслед-ой частью тела (тканью), которое сопровождает изменение кровенаполнения сосудов. Установлено, что коэффициент поглощения И/К излучения кровью значительно выше, чем исследуемой тканью, а рассеивание этого излуч-я происходит в основном за счет его отражения от поверхности эритроцитов. С помощью плетизмографии опред-ют изменения того или иного параметра периферического кровообращ-я по отношению к некоторому начальному уровню, принятому для того или иного человека.