Градуировка термопары. Измерение температуры кожных участков: Учебно-методическая разработка лабораторной работы по курсу "Медицинская и биологическая физика"

потенциальные энергии свободных электронов в металлах

k - постоянная Больцмана

Т - температура в градусах Кельвина

Запишем выражение для разности потенциальных энергий

Е₂ - Е₁ = еU_i

Где е - заряд электрона

U_i - внутренняя контактная разность потенциалов

Теперь найдем отношение концентраций электронов в металлах

                                            (1)

Выразим из этой формулы внутреннюю контактную разность потенциалов. Для этого пропотенцируем выражение (1).

                                                                       (2)                                                                            

Как видно, U_i зависит ещё и от температуры контакта.

Рассмотрим замкнутую цепь из двух металлов 1 и 2 (рис.2), концентрации свободных электронов в которых равны n₁ и n₂ .

                  2                 2

              U_iA                  U_iB

1

А                    В

Рис. 2     Схема подключения термопары

Контакты А и В металлов поддерживаются при температурах Т_А и  Т_В соответственно. Примем  , .

Запишем выражение (2) для обоих контактов

;                                                                  (3)    

 , так как

Вследствие этого в цепи, состоящей из двух разных металлов при разной температуре на контактах, возникает термоэлектродвижущая сила e_n и это явление называется эффектом Зеебека. Оно имеет место и при контакте полупроводников. Существует также и обратный эффект. Он состоит в том, что в местах контакта проводников (полупроводников) происходит выделение или поглощение теплоты, при пропускании через контакты постоянного электрического тока и называется эффект Пельтье. Эффекты Зеебека и Пельтье - это наиболее важные эффекты в теории термоэлектричесва.

Так как термо ЭДС равна сумме скачков потенциалов в местах спаев, а они имеют противоположные знаки, то

                               (4)

Обозначив    ,      получим

                                              (5)                                                         

Устройство, показанное на рис.2, называется термопарой.

В медицине термопары используются для нахождения температуры отдельных органов и их частей при контактных и бесконтактных методах измерения. В последнем случае используется несколько термопар, включённых последовательно для увеличения термо Э.Д.С., и таким образом определяют мощность инфракрасного излучения участков тела.

 С помощью термопары определяют только разность температур. При этом температуру второго спая, так называемого, холодного спая, поддерживают постоянной либо с помощью термостата, либо с помощью электрической схемы. Для измерения температуры термопару предварительно градуируют. Температуру участка тела определяют по рабочей формуле

                         t₁=t₀+ kN                                                             (6).

Где Т₁ – температура рабочего спая

Т₀  – температура холодного спая, находящегося при Т=0⁰ С.

N - показания цифрового гальванометра(число делений)

К -  коэффициент чувствительности термопары. Он показывает, насколько изменяется термо Э.Д.С. при изменении разности температур на 1⁰С или 1К и имеет размерность:

В / К=В / ⁰С.

Это основная характеристика термопары. Его величина зависит от типа металлов или полупроводников.

                                             Протокол

Лабораторная работа

Градуировка термопары и её применение для определения кожных температур.

Цель работы

1.1  Углубление знаний по теории термоэлектричества.

1.2  Изучение методики градуировки термопары.

1.3  Изучение использования термопары для измерения кожных температур.

Оборудование

1.  Термопара

2.  Цифровой гальванометр

3.  Сосуд с горячей водой.

4.  Сосуд с таящим льдом.

5.  Термометр.

6.  Лист миллиметровой бумаги и линейка

Вывод рабочей формулы

Запишем закон Ома для полной цепи

                               (7)

где e_т - термо ЭДС; R - сопротивление проводов термопары;

r- сопротивление измерительного прибора

Подставим выражение (5) в формулу (7)

, а затем выразим t₁

                                           (8)

Силу тока в цепи термопары можно выразить следующим образом:

I = C N

Где С - чувствительность измерительного прибора

N - показания прибора

Подставим эту формулу в (8)

Введем обозначение ,  поскольку все величины входящие постоянны, после этого запишем рабочую формулу в виде

t₁ = t_o + kN

Ход работы

1. Градуировка термопары.

Схема установки:

Рис. 3 Схема установки для градуировки термопары.

Подключают термопару спаи 1,4 к цифровому гальванометру 6 (рис.3).

1.Холодный спай 1 помещают в сосуд 2 с тающим льдом. Температура тающего льда всегда равна t₀=0⁰ C.   Рабочий(горячий) спай 4 помещают в сосуд с водой 3. Для определения температуры воды используется термометр 5.

2. Сначала вносят спай 4 в среду 2 и записывают показания гальванометра N  при Dt=0. При одинаковой температуре двух спаев Dt=0⁰ C показания прибора  N равны нулю (возможны варианты).

3. Далее, переносят спай 4 в сосуд 3 и фиксируют значение температуры t₁ и показания прибора N. Аналогичные измерения проводят при   различных значениях температуры спая 4, добавляя горячую воду в сосуд 3.

Результаты заносят в таблицу 1.

В соответствии с полученными данными строят зависимость  (рис. 4). Это – градуировочный график. Полученную кривую аппроксимируют прямой линией, проходящий через 0⁰С, и определяют величину, обратную коэффициенту     чувствительности термопары  β=- градуировочный коэффициент.

Рис.4

2 Определение температуры кожных участков тела.

Просушить рабочий спай с помощью фильтрованной бумаги.

Прижать рабочий спай 4 к избранному участку кожи на 0,5…1 мин. Холодный спай 1 находится в сосуде с тающим льдом 2. Для исключения влияния температуры прижимающегося пальца между термопарой 4 и пальцем поместить в несколько раз сложенный лист бумаги.

Результаты внести в таблицу 2

Результаты измерений

                                                                                              Табл.1

                                                                                   Табл.2

График градуировки термопары

Выводы_________________________________________________________

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Контрольные вопросы преподавателя:

1. Дать определения температуры.

2. Рассказать о температурных шкалах Цельсия, Кельвина, Фаренгейта.

3.  Какие типы термометров вам известны?

4. Что представляет собой внутренняя контактная разность потенциалов?

5. Дать определение термоэлектродвижущей силы.

6. Описать устройство термопары. Указать ее преимущества и недостатки по сравнению с другими термопреобразователями.

7. Факторы, определяющие чувствительность термопары. Дифференциальная термопара.

8. Пояснить принцип градуировки термопары, привести градуировочный график.

9. Эффект Пельтье.

10. Привести примеры использования термоэлектрических датчиков в медицине.

11. Рассказать о применении термоэлектрических явлений в биологии