практикум часть 1

сятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. 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 термоЭДС в диапазоне от микровольт до милливольт, однако требуют стабильного усиления для последующей обработки.

Термопара состоит из двух спаянных на одном из концов проводников, изготовленных из металлов, обладающих разными термоэлектрическими свойствами. Спаянный конец, называемый «рабочим спаем», погружается в измеряемую среду, 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 температуру «холодного спая», чтобы скомпенсировать эту разницу в дальнейших вычислениях. В модификациях входов, предназначенных для работы с термопарами, предусмотрена схема автоматической компенсации температуры свободных концов термопары. Датчиком температуры «холодного спая» служит полупроводниковый диод, установленный рядом с присоединительным клеммником. Подключение термопар к прибору должно производиться с помощью специальных компенсационных (термоэлектродных) проводов, изготовленных из тех же материалов, что и термопара. При соединении компенсационных проводов с термопарой и прибором необходимо соблюдать полярность. Во избежание влияния помех на измерительную часть прибора линию связи прибора с датчиком рекомендуется экранировать. В качестве экрана может быть использована заземленная стальная труба. При нарушении указанных условий могут иметь место значительные 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 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.

71

Эффект Пельтье (в момент снятия показаний, необходимо исключить протекание тока через термопару, так как 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.

изменение чувствительности с температурой. С уменьшением температуры чувствительность термопар падает.

Термопара состоит из двух разнородных проводников, спаянных в точках 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 То с помощью термостата К. Спай В помещается на исследуемое тело температуры

Т.

Рис. 3. Схема включения термопарного термометра и его внешний вид

72

Выполнение работы и составление отчета по лабораторной №4

ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ.

ГОУВПО «СМОЛЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ РОСЗДРАВА»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ЗДРАВООХРАНЕНИЮ И СОЦИАЛЬНОМУ РАЗВИТИЮ»

Кафедра медицинской и биологической физики

Тема: Медицинская электроника

Лабораторная работа 1э

Изучение датчиков температуры

Студент:_________________________

Группа: _________________________

Преподаватель:___________________

Дата:____________________________

Смоленск

74

микроамперметр.

Rt – термистор, сопротивление которого зависит от температуры окружающей среды. Для изменения температуры окружающей среды термистора в процессе работы служит сосуд с водой, снабжённый нагревателем, питающимся от понижающего трансформатора напряжением 12В.

При замыкании ключа в цепи измерительного моста возникает электрический ток. Когда выполняются условия: R1 = R2 и R3 = R t, измерительный мост сбалансирован. При этом ток через микроамперметр не идёт, т.к. разность потенциалов в точках подключения микроамперметра равна нулю. Если температура окружающей среды термистора начинает меняться, меняется сопротивление термистора, т.е. Rt уже не равно R3, происходит разбалансировка моста. Разность потенциалов в точках подключения микроамперметра отлична от нуля, через микроамперметр пойдёт ток, пропорциональный изменению сопротивления термистора, а значит изменению температуры окружающей среды термистора. Из вышесказанного следует, что перед началом работы с термисторным датчиком, необходимо сбалансировать измерительный мост

( добиться того чтобы R t = R3). 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 термоэлектрического датчика

Термоэлектрический датчик представляет собой замкнутую цепь, состоящую из двух спаев разнородных металлов (рис.4). В месте плотного соприкосновения различных металлов возникает контактная разность потенциалов, которая 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 одинаковой температуре, то тока в цепи не будет, т.к. разность потенциалов на обоих контактах одинаковы и направлены в противоположные стороны. Если темпера-

77

туры контактов разные, то в горячем спае разность потенциалов будет больше, чем в холодном. В цепи возникнет термоэлектродвижущая сила, величина которой пропорциональна разности температур спаев:

где - удельная термоЭДС, т.е. термоЭДС, возникающая в цепи при разности температур контактов в один градус;

t1 и t2 - температуры спаев;

Е – термоэлектродвижущая сила

Т.к. по закону Ома величина тока в цепи пропорциональна э.д.с., то по изменению силы тока можно судить об изменении температуры спаев. Поэтому в цепь датчика включён микроамперметр.

4.4Практическая часть

Задание 1. Ознакомиться с лабораторной установкой и подготовить её к работе:

Проверить правильность соединения приборов в цепи.

Определить и записать цены делений измерительных приборов, применяемых 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.

78

4.5Обработка результатов эксперимента

По данным таблицы 1 построить амплитудную характеристику датчика, т.е. график зависимости силы тока от температуры I = f(tºC).

I,ma

toc

Рис.5. Амплитудная характеристика датчика

На характеристике датчика отметить линейный участок и определить динамический диапазон m и чувствительность g датчика.

Задание 4. Определение частотного диапазона датчика (νн. – νв.) по времени 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 .

Вычислить значение 0,67∙ I

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 (νн. – νв.)Гц, где νн.= 0, νв.=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.

79

Прикладывать воспринимающую часть датчика (термистор или активный термоспай) к различным частям тела, записывая при этом показания микроамперметра в таблицу 2. Время измерения должно быть не меньше, чем время реакции датчика.

По амплитудной характеристике датчика определить температуру различных участков тела, данные занести в таблицу 2.

Таблица 2

Объяснить причины заниженных значений температуры тела.

Сделать вывод о возможности практического использования датчика.

Вопросы для самоконтроля

1.С каким датчиком Вы работали? Каков принцип его действия?

2.Что такое амплитудная характеристика? Какие метрологические характеристики датчика по ней можно определить? Поясните методику определения метрологических характеристик датчика.

3.Как определяется частотный диапазон датчика?

4.Как практически определить время реакции датчика?

5.Почему при измерении температуры тела получились заниженные 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.

80