Ю.Н. Орлов, С.П. Скворцов - Термометрирование биообъектов (1060038), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Но в большинстве случаеввторой спай не используется, вместо него в силу симметрии цепи можновключить гальванометр, при этом необходимо уравнять и стабилизироватьтемпературы его обоих зажимов (рис. 6,б). Возникающая термо-ЭДС будетзависеть от разности температур спая и зажимов гальванометра.Рис. 6. ТермопараШумовая термометрия. Тепловой шум возникает в любом проводнике (полупроводнике)вследствие хаотического движения носителей тока (электронов, дырок). Хаотическоедвижение носителей приводит к появлению несбалансированных зарядов, создающихразность потенциалов, флуктуирующую около нулевого значения. Среднеквадратичноезначение амплитуды шума V 2 при температуре T может быть получено из уравненияНайквиста [1] в приближении hν << kT :V 2 ≈ 4 kTR∆ν ,где k – постоянная Больцмана,21h –постоянная Планка,∆ν –полоса частот,R – сопротивление.Бесконтактные методы термометрииЛюбое тело, находящееся при температуре выше абсолютного нуля,является источником электромагнитного излучения.
Это излучение называетсятепловым, т.к. возникает в результате теплового возбуждения частиц веществанагретого тела (атомов, молекул, ионов, и т.д.). Показанная на рис. 7спектральная плотность энергетической светимости R (в Вт/м3) абсолютночерного тела описывается формулой Планка [1,3,4]. Спектр излученияреальных тел отличается от представленного на рис. 7, но может быть учтенвведением соответствующих поправок.Рис.
7. Спектральная плотность энергетической светимости абсолютночерного тела (вертикальной линией обозначен видимый диапазон 0,4-0,8 мкм)ТИП, работающие в области частот, прилегающих к видимомудиапазону, в зависимости от принципа работы называются тепловизорами,22инфракраснымитермометрамиипирометрами(рассматриваютсявсоответствующих курсах). ТИП, работающие в более низкочастотномдиапазонерадиоизлучения,называютсярадиометрами.Вмедико-биологических исследованиях наиболее распространены СВЧ-радиометры [2].В таких приборах сигнал с приемной радиоантенны через согласующий СВЧтракт поступает на вход усилителей и детектора, преобразующих мощностьрадиоизлучениявыбранногодиапазонавпостоянныйсигнал,пропорциональный температуре исследуемого биообъекта. Данный методпозволяет получать информацию не только о поверхностной, но и о глубинныхтемпературах биообъекта, однако его рассмотрение выходит за рамки данногокурса.Жидкокристаллические термопреобразователи (ЖКТ) работают ввидимой части спектра и представляют собой органические жидкости,содержащие относительно длинные сигарообразные молекулы.
Характермолекулярного упорядочения в ЖКТ может быть различным:а) нематическое упорядочение, соответствующее параллельной ориентациидлинных осей полярных молекул (рис. 8,а);б) холестерическое упорядочение, представляющее собой параллельные слоинематически ориентированных молекул (рис. 8,б). Направления ориентациидлинныхосеймолекулвпоследовательнорасположенныхслояххолестерического кристалла образуют структуру пространственной спирали.23Рис.
8. Схематическое изображение нематического (а), холестерическогоупорядочения полярных молекул в ЖКТ (б) и изоморфной жидкости (в)Жидкокристаллическоесостояние(мезоморфнаяфаза)существуетвтемпературном интервале от температуры плавления до температуры переходав состояние изоморфной фазы, соответствующей полному разупорядочениюмолекул (рис. 8,в).Если шаг (см. рис. 8,б) холестерической спирали (расстояние междуодинаково направленными осями ориентации молекул) сравним с длинойволны падающего света, то в ЖКТ наблюдаются оптические эффекты,связанные с тепловыми процессами и находящие широкое применение вмедицине. При указанном условии падающий на ячейку ЖКТ белый (дневной)свет рассеивается, и при наблюдении отраженного света на темном фоне вЖКТ видна характерная цветовая интерференционная текстура.
Цветаинтерференции определяются температурой нагрева и шагом спирали. Прималом шаге спирали наблюдаемая окраска ЖКТ оказывается чрезвычайночувствительной к температуре: при изменении температуры на 1°С смешениемаксимума селективного отражения может достигать 100 нм.24ЖКТ обратимо меняют цвет как при повышении температуры, так ипонижении без заметных гистерезисных явлений. Их рабочими параметрамиявляются: температура начала и конца проявления способности к селективномуотражению и температурный интервал работы. Длина волны отраженногосвета, соответствующая определенному температурному режиму, определяетсялибо визуально по цвету, либо более точно с помощью различныхмонохроматоров.4.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬКак известно, термометрия бывает первичной и вторичной. Подпервичной принято понимать термометрию, осуществляемую с помощьютермометра, уравнение состояния для которого можно выписать в явном видебез привлечения неизвестных постоянных, зависящих от температуры [1].Примером первичных термометров могут служить упомянутые вышеакустический и шумовой термометры.Исследуемые в настоящей работе ТИП являются вторичными, показаниякоторыхдолжнытемпературнойЭталоннымбытьприведенывсоответствиесопределеннойшкалой. Этот процесс называется калибровкой ТИП.будетсчитатьнепрерывнопоказывающийобразцовыйжидкостной термометр, имеющий точность 0,050С.Экспериментальное изучение характеристик тепловых преобразователейпроизводится на стенде, схема которого представлена на рис.
9. Стенд25включает в себя нагреватель 1 с регулируемой трансформатором скоростьюнагрева. К стакану нагревателя крепятся: терморезистор 2, термопара 3,биметаллический элемент 4 и площадка, на которой располагается ЖКТ 5.Термопара 3 и мост 6, включающий в себя терморезистор 2, соединяютсячерез измерительные усилители с показывающими магнитоэлектрическимиприборами 7 и 8, Деформация биметаллического элемента 4 изучается спомощью микроскопа 9, цветотемпературная характеристика ЖКТ 5изучается визуально. В качестве образцового термометра используетсяжидкостный ртутный термометр 10.Рис. 9. Схема стенда для экспериментального изучения параметров ТИППорядок проведения эксперимента1) Заполнив стакан нагревателя дистиллированной водой, включитьнагреватель и отрегулировать его на скорость нагрева не более 3 °С/мин.262) Обеспечить надежный тепловой контакт термопары и терморезистора скорпусом стакана с помощью пружинных зажимов, “холодные” концытермопары при этом соединить с измерительным усилителем через медныеконтактные пластины.3) Сбалансироватьрегулировочнымрезистороммост,ккоторомуподключен терморезистор.4) Построитьзависимостьпоказанийтермоэлектрическогоитерморезисторного преобразователей в режиме нагрева.U вых = f (θ )5) Слить горячую воду и заполнить стакан холодной водой.
Смазатьтехническим маслом поверхность площадки и установить на ней ЖКТ. Врежиме нагрева построить цветовую характеристику жидкокристаллическогопреобразователя; в качестве измерителя местной температуры площадкииспользоватьопределенытермопарусогласноилип.4.терморезистор,Одновременно,характеристикинаблюдаявкоторогомикроскопзаперемещением торца биметаллического элемента, построить зависимостьL = L(T) , где L–отклонение конца пластины.6) Изучитьособенностиконструкциймедицинскихтепловыхпреобразователей по дополнительной литературе и стендовому материалу.7) ВыбратьТИПсмаксимальнойчувствительностьювобластитемператур (30–40)0С и измерить температурную асимметрию биообъекта.27Содержание отчета о проведении эксперимента1) Схематическиеизображениястендадляопределенияхарактеристиктепловых преобразователей.2) Сведенные в таблицу экспериментально полученные численные результаты.3) Графические характеристики тепловых преобразователей с выводами об ихлинейности.4) Цветоваяхарактеристикажидкокристаллическоготепловогопреобразователя с указанием параметров.5) Результаты измерений температурной асимметрии биообъекта.5.
ЛИТЕРАТУРА1. Куинн Т. Температура: пер. с англ. – М.:Мир, 1985. – 448 с.2. О возможности использования собственного теплового СВЧ радиоизлучениятела человека для измерения температуры его внутренних органов. Результатыи перспективы / В.С. Троицкий, А.В.
Густов, И.Ф. Белов и др. // Успехифизических наук. – 1981. – т. 134, вып. 1. С. 156-1583. Основы температурных измерений/ А.Н. Гордов, О.М. Жагулло, А.Г.Иванова. – М.:Энергоатомиздат, 1992. – 304 с.4. Электрические измерения неэлектрических величин. Изд. 5-е, перераб. идоп./ под ред.
П.В. Новицкого. – Л.:Энергия, 1975. – 576 с.28.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
