71736

Изучение работы термодатчиков

Лабораторная работа

Физика

Объяснить зависимость сопротивления полупроводников от температуры. Объяснить зависимость сопротивления полупроводников от температуры. Какие вещества называются жидкими кристаллами На каком свойстве жидких кристаллов основано измерение температуры различных участков...

Русский

2014-11-11

83.5 KB

1 чел.

217

Лабораторная работа №21

Изучение работы термодатчиков

Цель работы: познакомиться с физическими основами работы температурных датчиков.

Литература

  1.  1, §§ 10.2, 15.2, 15.6, 21.3.
  2.  2, §§ 33, 34, 53, 54.
  3.  5, стр. 163 – 171.

Вопросы входного контроля

  1.  Какие технические устройства называются датчиками?
  2.  Назвать типы датчиков и дать им определение.
  3.  Природа электропроводности металлов. Объяснить зависимость сопротивления полупроводников от температуры.
  4.  Природа электропроводности полупроводников. Объяснить зависимость сопротивления полупроводников  от температуры.
  5.  Что такое термоэлектронная эмиссия? Что такое «работа выхода» электронов?
  6.  От чего зависит интенсивность термоэлектронной эмиссии?
  7.  Объяснить принцип работы термопары.
  8.  Какие вещества называются жидкими кристаллами? На каком свойстве жидких кристаллов основано измерение температуры различных участков тел?

1.  Краткая теория

При физиологических и диагностических исследованиях часто требуется производить измерения многочисленных неэлектрических величин, непосредственная регистрация которых затруднена. Для этих целей используются датчики – устройства, преобразующие измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи и регистрации.

В настоящее время широко применяются электрические методы измерения неэлектрических величин. Их основные преимущества проявляются в высокой чувствительности,  надежности, удобстве регистрации и возможности проводить измерения на расстоянии. Подобные датчики делятся на два класса: генераторные и параметрические. Генераторными называют такие датчики, которые генерируют напряжение или ток. Параметрическими называют датчики, в которых под воздействием физического фактора изменяется какой-либо параметр. В работе подробнее рассматриваются температурные датчики.

Температура является одним из основных параметров, определяющих состояние биологических объектов. Повышение температуры человеческого тела всего на 1-2 градуса приводит к потере работоспособности, нарушениям функции тканей, органов и систем: изменению скорости биохимических процессов, ритма сердечных сокращений, частоты дыхания и т.д. Поэтому точное измерение температуры является важной процедурой в медицинской диагностике.

Измерение температуры основано на предположении, что тела, находящиеся в непосредственном контакте в конце концов приходят к тепловому равновесию, т.е. будут иметь одинаковую температуру.

Количественное определение температуры основано на регистрации изменения какого-либо свойства при изменении температуры: изменение объема при постоянном давлении, изменение электрического сопротивления, изменение контактной разности потенциалов и т.д.

Наиболее распространенными в медицине приборами для определения температуры являются ртутные термометры, основным преимуществом которых является возможность непосредственного отсчета температуры, простота изготовления, дешевизна. К недостаткам ртутных термометров следует отнести большую термическую инертность (время, необходимое для измерения температуры). Ртутные медицинские термометры дают возможность измерять температуру  с точностью до 0,1 градуса. Однако в ряде случаев, например, при диагностике воспалительных  процессов, опухолевых образований подобная точность не достаточна. Кроме того, ртутный термометр, измеряя температуру тел больших размеров, не может дать сведения о температуре в небольшом объеме и даже точке, что бывает необходимо знать в диагностических и терапевтических целях.

В связи с этим в медицинской практике для измерения температуры используются температурные датчики, в которых измеряемый параметр безинерционно реагирует на изменение температуры. Примерами таких датчиков являются термопары, терморезисторы и жидкокристаллические пленки.

Термопара представляет собой электрическую цепь, состоящую на двух спаев разнородных материалов. В основе применения термопары для измерения температуры лежит изменение контактной разности потенциалов (КРП) при изменении температуры. Контактной называется разность потенциалов, образующаяся в месте соединения разнородных элементов.

Существуют две причины ее образования разная работа выхода (А) электронов из соединенных элементов и разная концентрация (С) электронов в этих элементах.

КРП, образующаяся вследствие первой причины, равна:

 (1.1)

КРП, возникающая из–за разности концентраций, равна:

 (1.2)

Следовательно, результирующая КРП линейно зависит от температуры:

(1.3)

где е – заряд электрона;  – постоянная Больцмана; Т – температура спая А1, А2 – работа выхода для 1 и 2 металлов, С1, С2 – концентрация электронов в первом и втором металле.

Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из спая двух различных металлов.

Если температура спаев одинакова, то, несмотря на наличие в них КРП, тока в цепи не будет, так как КРП направлены навстречу друг другу.

Если же температура спаев различна, то КРП у более нагретого спая (Т1) выше, чем у менее нагретого (Т2), и по цепи начинает течь электрический ток, обусловленный термо – ЭДС. Термо - ЭДС  пропорциональна разности температур спаев:

(1.4)

где - некоторая постоянная, зависящая от природы материалов, из которых сделана термопара.

Таким образом, зная материалы (коэффициент) и измерив величину термо - ЭДС, можно определить разность температур спаев:

   (1.5)

1 и 2 – термоэлектроды,

3 и 4 – удлинительные провода,

А – горячий спай,

В1 и В2 – холодные спаи соединения термоэлектродов с проводами.

Рис. 1. Схема подключения термопары.

Существуют различные схемы включения термопар. Простейшая схема (рис. 1): термопара подключается непосредственно к клеммам измерительного прибора или через удлинительные провода (обычно медные).

Изменение электрического сопротивления при нагревании тел может быть также положено в основу измерения температуры. У большинства металлов сопротивление линейно растет с увеличением температуры (рис. 3). Это используется при создании термометров сопротивления, широко применяемых в технике.

 В противоположность металлам, у полупроводников наблюдается отрицательный температурный коэффициент сопротивления, т.е. при нагревании сопротивление полупроводников уменьшается. Зависимость сопротивления полупроводников от температуры описывается выражением:

        (1.6.)

где А – константа,  – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, - энергия активации, которая определяет, какую энергию необходимо сообщить электрону атома полупроводника, чтобы перевести его из заполненной валентной зоны в свободную зону проводимости (другими словами, определяет ширину запретной зоны у полупроводников).

Графически зависимость сопротивления полупроводников от температуры представлена на рис. 3.

Эта зависимость положена  в основу применения полупроводниковых  датчиков (терморезисторов) для измерения температуры.

Основной недостаток терморезисторов, малый интервал измеряемых  температур (– 600С 1200С) для медико-биологических измерений не имеет значения. Поэтому, в перспективе, терморезисторы должны полностью вытеснить ртутные термометры. Уже сейчас разработаны микротерморезисторы для измерения температуры клеток и микроструктур.

Рис.2.  Зависимость сопротивления        Рис. 3. Зависимость сопротивления

металлов от температуры.              полупроводников от температуры.

В настоящее время в медицинской практике для локального исследования температуры тела применяются жидкокристаллические пленки (жидкие кристаллы). Жидкими кристаллами называют вещества, которые обладают свойствами и жидкостей, и кристаллов.

 По своим механическим свойствам эти вещества похожи на жидкости – они текут. По оптическим свойствам жидкие кристаллы ведут себя как твердые кристаллы: вращают плоскость поляризации, обнаруживают двойное лучепреломление.

Двойственность физических свойств обусловлена внутренним строением жидких кристаллов. Взаимное расположение молекул в них является промежуточным между аморфным состоянием и кристаллическим, в котором существует как дальний порядок в расположении центров молекул, так и упорядоченность в ориентации молекул. Жидкокристаллическое состояние наблюдается у веществ, молекулы которых имеют вытянутую форму- в виде палочки или удлиненной пластинки. Такая форма молекул приводит к возможности их упорядочения.

Молекулярная структура жидких кристаллов очень чувствительна к любому малейшему внешнему воздействию. Малое возмущение может нарушить слабые межмолекулярные силы, что приводит к заметным изменениям оптических свойств. Так, температура оказывает большое влияние на цвет кристалла, в зависимости от температуры он может быть любого цвета – от фиолетового до красного. Такие свойства жидких кристаллов начинают использовать для измерения изменений температуры различных участков тел.

В медицине это позволяет фиксировать расположение вен, артерий и других образований, имеющих иную теплоотдачу, чем окружающие среды.

  1.  Практическая часть

  1.  Задание 1.
  2.  Снять зависимость термо-ЭДС термопары от температуры:
  3.  Снять зависимость сопротивления терморезистора от температуры.

2.1.1. Приборы и оборудование: термометр, термопара, терморезистор, источник тока, усилитель, мультиметр, эл. плитка, химический стакан, штатив, снег или лед.

         2.1.2. Описание лабораторной установки.

 Основными частями лабораторной установки являются термопара, напряжение с которой снимается через усилитель мультиметром (в режиме вольтметра) и полупроводниковый терморезистор, сопротивление  которого измеряется мультиметром (в режиме омметра). Контроль за процессом нагревания производится ртутным термометром.

  1.  Ход работы.
  2.  Собрать установку для проведения эксперимента по рис. 4.
  3.  Положить в химический стакан снег или лед  и, добавляя воду, установить температуру 0 градусов.
  4.  Включить электроплитку. Измерения напряжения в цепи термопары и сопротивления резистора проводить для температуры воды в стакане от 0 до 50 (или 100) градусов с шагом 5 градусов.
  5.  Вычислить термо-ЭДС (Е) по формуле:

  (2.1)

где К – коэффициент усилителя (указан на усилителе).

Рис. 4. Схема лабораторной установки.

  1.  Данные измерений и вычислений занести в таблицу 1:

t, с

0

5

10

15

20

45

50

U, B

E, B

R, кOм

  1.  Построить графическую зависимость термо-ЭДС от температуры.
  2.  Построить графическую зависимость сопротивления терморезистора от температуры.

Примечание

Согласно теории зависимость R от Т для полупроводников подчиняется экспоненциальной зависимости. Экспериментальные точки могут не лежать на этом графике в силу объективных и субъективных ошибок. При построении графика экспериментальную линию необходимо проводить не пилообразно соединяя точки, а приближенно по форме теоретической кривой, проводя линию между точками (см. рис. 5).

Рис. 5 Правило построения графика

Вопросы выходного контроля

  1.  Что такое термометр сопротивления и как его использовать для измерения температуры?
  2.  Что такое терморезистор и как его использовать для измерения температуры?
  3.  Как использовать термопару для измерения температуры?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

31066. АДЕНОМЫ 21.28 KB
  Значительное присутствие разбросанных миоэпителиальных клеток анастомозирующих между собой можно отметить только среди миксоидноro компонента опухоли не имеющего никакого отношения к строме. В этих двух разновидностях плеоморфной аденомы можно выделить три типа эпителиальных клеток. Первая группа клеток мелкими клетками с гиперхромными ядрами. Второй тип клеток светлыми клетками овальной или округлой формы они образуют мелкие и крупные комплексы или альвеолярные структуры.
31067. КАРЦИНОМЫ (раки) 28.86 KB
  Эпителиально-миоэпителиальная карцинома ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫЕ ЭПИТЕЛИАЛЬНЫЕ ОПУХОЛИ СЛЮННЫХ ЖЕЛЕЗ КАРЦИНОМЫ ИЛИ РАКИ Мукоэпидермоидный рак. Чаще всего в ткани опухоли хорошо заметны множественные кисты. И при этом малоподвижные опухоли плотной консистенции обычно оказываются низкодифференцированными при микроскопическом исследовании. Встречаются также многоузелковые опухоли узлы обычно спаяны между собой и имеют плотную консистенцию.
31068. Кисты кожи головы, лица и шеи 29.5 KB
  Кисты лица и шеи: 1 кератиновые кисты к которым относят волосяную кисту и эпидермальную; 2 дермоидная киста; 3 врожденные кисты и свищи лица и шеи. Кератиновые кисты: а полость волосяной кисты содержит аморфную массу белосероватого цвета внутренняя выстилка представлена рядами чешуйчатоподобных клеток б полость эпидермальной кисты заполнена слоями кератина внутренняя выстилка представлена многослойным плоским эпителием. Наиболее частая локализация кератиновых кист кожа лица шеи волосистой части головы; кисты появляются в период...
31069. Варианты лимфаденитв 19.22 KB
  Лимфогранулематоз Хлджкина– злокачественная опухоль лимфоидной ткани в которой малочисленные опухолевые клетки характерного строения располагаются среди преобладающего реактивного клеточного окружения. Опухолевые клетки при нодулярном типе лимфоидного преобладания экспрессируют панВклеточные антигены в то время как клетки классического лимфогранулематоза утрачивают экспрессию Вклеточных антигенов. Клетки БерезовскогоШтернбергаРид типичного строения – крупные 2030 мкм с дву или многодольчатым ядром или дву или многоядерного...
31070. Одонтогенный сепсис 30.01 KB
  Изначально причиной одонтогенного сепсиса чаще всего являются осложнения кариеса: апикальный периодонтит периостит остеомиелит челюстей и флегмоны мягких тканей орофациальной области. Для реализации сепсиса необходима неадекватная гиперергическая реакция макроорганизма на возбудителя и несостоятельность его антибактериальной защиты. При сепсисе утрачена способность макроорганизма локализовать инфекцию.
31071. Десмодонтоз 15.62 KB
  Впоследствии начинается воспалительный процесс в десневых тканях образуются пародонтальные карманы которые наполнены гнойным содержимым происходит смещение зубов их расшатывание а затем они попросту выпадают. Параллельно с этим заболеванием происходит поражение ладоней и подошв стопы гиперкератоз происходит нарушение обменных процессов триптофана и возникает диспротеинэмия. Лечение в данном случае требуется симптоматическое а при уже развившихся стадиях происходит удаление поврежденных зубов и проводится ортопедическое лечение.
31072. Кандидоз 15.34 KB
  Болеют кандидозом дети начиная с первых дней жизни и взрослые обычно пожилые и ослабленные чаще женщины. Существуют два пути возникновения кандидоза заражение от больного кандидозом и переход собственных условнопатогенных грибов в патогенные под воздействием благоприятных для развития гриба факторов. В развитии кандидоза особенно хронического значительную роль играют: дефекты клеточного иммунитета заболевания эндокринной системы тяжелые истощающие заболевания туберкулез анацидные гастриты...
31073. Актиномикоз (лучисто-грибковая болезнь) 16.46 KB
  При локализации процесса на нижней губе в области щеки инфильтрат ограниченный часто округлой формы спаян с подслизистой тканью. При расположении очага в подъязычной области на нижней и боковой поверхностях языка инфильтрат более разлитой и поверхностный. Слизистая оболочка в области поражения имеет красный иногда цианотичный цвет. При расположении очагов в области губы или щеки наблюдается абсцедирование.
31074. Предраковые заболевания 18.89 KB
  Значительную роль играют: курение табака склонность к очень горячей или острой пище крепким спиртным напиткам жевание табака употребление наса неблагоприятные метеорологические условия холод ветер сильная инсоляция длительно существующие слабые механические травмы профессиональные факторы анилиновые краски и лаки пары и пыль пека продукты сухой перегонки угля каменноугольной смолы фенол формальдегид пары бензина некоторые соединения бензола и др. Веррукозная лейкоплакия встречается в виде ограниченных...