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?
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.
Практическая часть
Задание 1.
1. Снять зависимость термо-ЭДС термопары от температуры:
2. 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.
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.
Ход работы.
1. Собрать установку для проведения эксперимента по рис. 4.
2. Положить в химический стакан снег или лед и, добавляя воду, установить температуру 0 градусов.
3. 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.
4. Вычислить термо-ЭДС (Е) по формуле:
(2.1)
где К – коэффициент усилителя (указан на усилителе).
Рис. 4. Схема лабораторной установки.
5. Данные измерений и вычислений занести в таблицу 1:
| t, с | … | |||||||
| U, B | ||||||||
| E, B | ||||||||
| R, кOм |
6. Построить графическую зависимость термо-ЭДС от температуры.
7. 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?