Аналитическая техника в медицинских исследованиях.

Лекции.

Введение в электрические измерения.

В настоящее время в процессе измерения различных физических величин находят самое широкое применение электрические измерения, причем, различные электрические сигналы используются для обработки измерительной информации, а также вычислительных операций.

Обычно приходится сталкиваться с измерениями следующих параметров постоянного электрического тока: напряжение U, сила тока I, мощность W, активное сопротивление R.

Параметры переменного электрического тока: U, I, W, R, f (частота), L (индуктивность), C (емкость), M (взаимоиндукция), φ (сдвиг фазы).

Классификация средств электрических измерений.

Существует несколько признаков, по которым принято классифицировать средства электрических измерений.

1. По методу представления величин:

- аналоговые;

- цифровые;

- аналого-цифровые.

Аналоговыми называются устройства, в которых каждой физической величине ставится в соответствие непрерывный ряд значений другой величины.

Цифровые (дискретные) устройства – это устройства, в которых каждой физической величине ставится в соответствие некоторый код, например, комбинация электрических импульсов.

2. По принципу действия:

- механические (электронно-механические);

- термоэлектрические;

- электронные.

3.По использованному методу измерительного преобразования (методу измерений):

- по методу прямого измерения;

- по методу дифференцированного прямого измерения;

- по методу уравновешивающего измерительного преобразования;

- по методу развертывающего измерительного преобразования.

4. В зависимости от наличия вычислительных устройств:

- обычные;

- микропроцессорные.

Электромеханические приборы.

Принцип действия этих приборов основан на явлении взаимодействия проводника, по которому течет электрический ток, с магнитным полем. Различают:

• магнитоэлектрические;

• электродинамические;

• электромагнитные;

• электростатические измерительные приборы.

Чаще других используются магнитоэлектрические электроизмерительные приборы.

Магнитоэлектрические измерительные приборы.

Принцип их действия основан на взаимодействии проводника, по которому течет постоянный ток, с постоянным магнитным полем, при котором возникает сила, вызывающая перемещение проводника.

Основным элементом магнитоэлектрических приборов является магнитоэлектрический механизм.

М = К ВI (1)

M = K E (2)

М = M (3)

К ВI = K Eφ

φ = (4)

B – магнитная индукция.

E – модуль

φ – угол.

К - коэффициент зависимости от размеров, числа витков материала.

K - зависимость от параметров спирали (длины, ширины, толщины).

K – коэффициент чувствительности.

I - ток маленькой катушки.

1 – катушка (содержит до 300 витков тонкой полированной медной пленки). 2 – сердечник. 3, 4 – оси. 5 – подшипники. 6, 7 – ленточные пружины, через которые к катушке подводится измеряемый ток. 8, 9 – полюсные наконечники. 10 – постоянный магнит. 11 – стрелка. 12 – противовесы стрелки. 13 – шкала.

При протекании через катушку измеряемого тока вокруг нее создается магнитное поле, которое взаимодействует с полем постоянного магнита. Причем он является однородным, т.к. толщина зазора между сердечником и полюсными наконечниками постоянна. При названном взаимодействии на катушку действует пара сил, и возникает вращающий момент М , который заставляет поворачиваться катушку (рис. б). При этом вместе с катушкой поворачивается ось 3, и закручиваются спиральные пружины, что создает противодействующий вращательный момент. Движение системы происходит до тех пор, пока момент, создаваемый катушкой не уравновесится противодействующим моментом М , создаваемым спиральными пружинами. В момент равновесия по углу поворота стрелки относительно шкалы определяется значение измеряемого тока, протекающего через катушку.

Равенство М = М позволяет получить выражение для угла поворота φ, из которого следует, что при прочих постоянных параметрах угол поворота определяется однозначно силой тока, протекающего через катушку.

Так как катушка изготавливается из медной проволоки, то при изменении температуры окружающей среды будет изменяться ее сопротивление. Для уменьшений проявления этого эффекта, который

Рис.а

Рис.б

вызывает погрешность измерений, последовательно с катушкой включают активное сопротивление, которое в 3-4 раза превосходит по значению сопротивление катушки. Это сопротивление обычно изготавливается из проволоки, изготовленной из специального сплава, называемого манганином (температурный коэффициент сопротивления сплава близок к 0). Это приводит к уменьшению чувствительности магнитного электрического механизма и вызывает необходимость использования для ее сохранения постоянных магнитов с постоянной магнитной индукцией.

Магнитоэлектрические механизмы являются чувствительными измерительными устройствами. Минимальный ток, который они способны измерить, составляет 10 А.

Магнитоэлектрические приборы постоянного тока.

Магнитоэлектрические механизмы являются основой для создания амперметров, вольтметров, иногда омметров, работающих как на постоянном, так и на переменном токе.

; ; ; .

Так как рамка и включенное с ней последовательно манганиновое сопротивление обладает невысоким значением суммарного сопротивления, то при создании амперметров и вольтметров постоянного тока используются схемы, показанные на рисунках а) и б) соответственно. Т.е. при создании амперметра в параллельный механизм включается шунт, через который протекает большая часть тока, и лишь небольшой ток, который может в предельном случае протекать через рамку, протекает через магнитоэлектрический механизм. Сопротивление шунта R вычисляется по формулам (см. выше), где n – отношение максимального значения измеряемого тока I и предельное значение тока I , который может протекать через магнитоэлектрический механизм без его повреждения.

Рис.а

Рис.б

В магнитоэлектрическом вольтметре (рис. б) в последовательность магнитоэлектрического механизма включается дополнительное сопротивление, значение которого вычисляется по формулам (см. выше), где m – отношение максимума измеряемого напряжения U – верхний предел измерений вольтметра; U - максимальное напряжение, которое может отводиться к магнитоэлектрическому механизму без его повреждения.

Магнитоэлектрические приборы постоянного тока являются точными чувствительными устройствами. Их классы точности обычно составляют Λ= 0,02÷1,5.

Магнитоэлектрические приборы переменного тока.

Для получения возможности измерения с помощью магнитоэлектрического механизма достаточно использовать дополнительное преобразование переменного тока в постоянный. Для этого используются преобразователи, которые представляют собой однополупериодные или двухполупериодные выпрямители Λ= 1÷4.

Рис.а

Рис.б

Термоэлектрические измерительные приборы.

Принцип их действия основан на явлении выделения тепла на проводнике, по которому протекает электрический ток.

(1)

(2)

(3)

В данном приборе проволока 2, по которой протекает ток, расположена в герметичной стеклянной емкости 1, причем к проволоке прикреплена миниатюрная термопара 3 (термоэлектрический преобразователь), которая представляет собой две тонкие проволоки, изготовленные из различных металлов, спаянных друг с другом. Свободные концы проволоки подключены к вольтметру постоянного тока 4 магнитоэлектрической системы. Возникающая ЭДС (∆Е) на свободных концах термопары, как видно из приведенных формул, определяется квадратом силы тока.

В формуле (1) ∆t – изменение температуры проволоки при протекании через нее тока; К – коэффициент, зависящий от материалов и параметров проволоки.

В формуле (2) К - коэффициент преобразования термопары.

Классы точности Λ = 0,1÷4.

Важным свойством этих измерительных устройств является то, что они позволяют измерять силу тока как постоянного, так и переменного.

Электронные аналоговые измерительные приборы.

Они, как правило, представляют собой вольтметры, которые с помощью специальных входных цепей позволяют измерять ток и сопротивление.

Во всех представленных схемах входная цепь 1 выполняет функции деления напряжения или в амперметрах и омметрах. Она скоммутирована так, что позволяет вольтметрам измерять значение тока при сопротивлении.

а) – аналоговый вольтметр постоянного тока. Сигнал, поступающий из входной цепи, усиливается усилителем постоянного тока 2, а затем посылается на магнитоэлектрический милливольтметр.

б) и в) – аналоговые вольтметры переменного тока.

В схеме б) сигнал переменного тока предварительно преобразуется в сигнал постоянного тока с помощью выпрямителя 4, а затем усиливается и подается на магнитоэлектрический милливольтметр.

В схеме в) первоначальный сигнал переменного тока усиливается в усилителе переменного тока 5, а затем выпрямляется и посылается к магнитоэлектрическому милливольтметру.

Схема б) хороша тем, что позволяет измерять сигналы практически любой частоты, однако из-за наличия выпрямителя 4 (обычно диодного), который имеет определенный порог чувствительности, данная цепь имеет ограниченную чувствительность, т.е. не позволяет измерять сигналы малого напряжения.

Схема в) напротив позволяет измерять малые сигналы, т.к. поступающий к выпрямителю сигнал предварительно усиливается. Однако эта схема имеет ограничение по частоте, т.к. любой усилитель переменного тока 5 имеет определенный частотный диапазон, в котором усиление происходит без погрешности.

Класс точности Λ = 0,5÷3. Измеряемый диапазон 10 - 100000 В.

Рис.а

Рис.б

Рис.в