Термостат

6.3.1. Назначение и структурная схема термостата.

Термостат — устройство для поддержания постоянной температуры в ограниченном объеме.

Медицинские термостаты делятся на три категории: климатические камеры; жидкостные термостаты; суховоздушные термостаты.

Рассмотрим суховоздушный термостат для температурной выдержки экспресс анализа крови в течение 10..30 минут. Термостат должен поддерживать постоянную температуру +37 ^оC (±0,5 ^оC) в рабочей камере объемом 3 л. Время нагрева не более 1 минуты. Должна осуществляться индикация режимов работы.

Суховоздушные медицинские термостаты предназначены для поддержания внутри рабочей камеры стабильной температуры, необходимой при бактериологических и серологических исследованиях.

Структурная схема термостата приведена на рисунке 6.14.

Термостат состоит из нескольких структурных блоков:

— блок коммутационных элементов;

— блок индикации;

— блок терморегуляции.

В блок коммутационных элементов входят:

1. Сетевой тумблер (подает напряжение от сети 220 В, 50 Гц).

2. Пусковая кнопка (задает начало цикла выдержки — подает напряжение на силовое реле, реле времени и дальше по цепи)

3. Реле силовое МКУ-48. Предназначено для отключения нагрузки после срабатывания реле времени.

4. Реле времени программное ВЛ-56УХЛ4 (настроено на 2 программы с разницей в 1 мин.)

В блок индикации входят:

1. Звуковой индикатор. Предназначен для звуковой индикации окончания цикла выдержки.

2. Лампы-индикаторы (5 шт. ). Предназначены для световой индикации рабочих и аварийных режимов термостата.

В блок терморегуляции входят:

Нагревательный элемент. Предлагается использовать керамический инфракрасный нагреватель. Расположен в нижней части камеры термостата. Предназначен для нагревания воздуха (рабочего тела) в камере термостата.

Температурный датчик. Предлагается использовать терморезистор. Предназначен для установления обратной связи между терморегулятором и нагревателем.

Регулятор мощности нагревателя (электронный ключ).

Электронный термометр. Предназначен для визуального контроля температуры в камере термостата, а также для первичной настройки терморегулятора. В качестве электронного термометра предлагается использовать цифровой термометр EWTM 201.

Технические данные

Корпус: пластиковый из PC+ABS со степенью гасимости VO.

Размеры: фронтальный 32х74 мм, глубина 67 мм.

Монтаж: на панель в отверстие размером 71х29 мм.

Соединения: на винтовой клеммник для проводов ≤ 2,5 мм² (один провод на клемму по нормативам VDE).

Визуализация: на дисплее в 3 цифры со знаком «.», высота цифры 12,5 мм.

Температура окружающей среды: 0...65 °С.

Разрешающая способность: 0,1 °С.

Точность: точнее 0,5% фона шкалы.

Питание: ~220 В, 50/60 Гц.

Также структурно можно выделить следующие элементы термостата:

1. Датчик положения дверцы (микропереключатель). Расположен в месте прилегания уплотнителя дверцы.

2. Устройство согласования напряжения.

Рис. 6.14. Структурная схема термостата.

Наиболее подходящим типом нагревателя для разрабатываемого термостата является инфракрасный нагреватель, как оптимальный по соотношению габаритных размеров, потребляемой мощности, времени нагрева и температуры на поверхности.

Рассмотрим этот тип нагревателей подробнее.

ИК-излучение или инфракрасные лучи, это электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны 0,74 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (1-2 мм). Инфракрасную область спектра обычно условно разделяют на ближнюю (от 0,74 до 2,5 мкм), среднюю (2,5-50 мкм) и далёкую (50-2000 мкм). Открытие инфракрасного излучения произошло в 1800 г. Английский учёный В. Гершель обнаружил, что в полученном с помощью призмы в спектре Солнца за границей красного света (т.е. в невидимой части спектра) температура термометра повышается. Термометр, помещённый за красной частью солнечного спектра, показал повышенную температуру по сравнению с контрольными термометрами, расположенными сбоку.

Было доказано, что инфракрасное излучение подчиняется законам оптики и, следовательно, имеет ту же природу, что и видимый свет. В 1923 г. советский физик А. А. Глаголева-Аркадьева получила радиоволны с длиной волны приблизительно равной 80 мкм, т.е. соответствующие инфракрасному диапазону длин волн. Таким образом, экспериментально было доказано, что существует непрерывный переход от видимого излучения к инфракрасному излучению и радиоволновому и, следовательно, все они имеют электромагнитную природу.

Рис. 6.15. Электромагнитный спектр.

Рис.6.16. Сравнительные характеристики керамических и инкаллоевых излучателей.

Спектр инфракрасного излучения, так же как и спектр видимого и ультрафиолетового излучений, может состоять из отдельных линий, полос или быть непрерывным в зависимости от природы источника инфракрасного излучения. (Рис 6.15) Возбуждённые атомы или ионы испускают линейчатые инфракрасные спектры. Например, при электрическом разряде пары ртути испускают ряд узких линий в интервале 1,014-2,326 мкм, атомы водорода — ряд линий в интервале 0,95-7,40 мкм. Возбуждённые молекулы испускают полосатые инфракрасные спектры, обусловленные их колебаниями и вращениями. Колебательные и колебательно-вращательные спектры расположены главным образом в средней, а чисто вращательные — в далёкой инфракрасной области. Так, например, в спектре излучения газового пламени наблюдается полоса около 2,7 мкм, испускаемая молекулами воды, и полосы с длиной волн 2,7 мкм и 4,2 мкм, испускаемые молекулами углекислого газа.

Нагретые твёрдые и жидкие тела испускают непрерывный инфракрасный спектр. Нагретое твёрдое тело излучает в очень широком интервале длин волн. При низких температурах (ниже 800 К) излучение нагретого твёрдого тела почти целиком расположено в инфракрасной области, и такое тело кажется тёмным. При повышении температуры доля излучения в видимой области увеличивается, и тело вначале кажется тёмно-красным, затем красным, жёлтым и, наконец, при высоких температурах (выше 5000 К) — белым; при этом возрастает как полная энергия излучения, так и энергия инфракрасного излучения.

Свойства инфракрасного излучения

Оптические свойства веществ (прозрачность, коэффициент отражения, коэффициент преломления) в инфракрасной области спектра, как правило, значительно отличаются от оптических свойств в видимой и ультрафиолетовой областях. Многие вещества, прозрачные в видимой области, оказываются непрозрачными в некоторых областях инфракрасного излучения и наоборот. Например, слой воды толщиной в несколько см. непрозрачен для инфракрасного излучения с длиной волны > 1 мкм (поэтому вода часто используется как теплозащитный фильтр), пластинки германия и кремния, непрозрачные в видимой области, прозрачны в инфракрасной (германий для > 1,8 мкм, кремний для > 1,0 мкм). Чёрная бумага прозрачна в далёкой инфракрасной области. Вещества, прозрачные для инфракрасного излучения и непрозрачные в видимой области, используются в качестве светофильтров для выделения инфракрасного излучения. Ряд веществ даже в толстых слоях (несколько сантиметров) прозрачен в достаточно больших участках инфракрасного спектра. Из таких веществ изготовляются различные оптические детали (призмы, линзы, окна и пр.) инфракрасных приборов. Например, стекло прозрачно до 2,7 мкм, кварц — до 4,0 мкм и от 100 мкм до 1000 мкм, каменная соль — до 15 мкм, йодистый цезий — до 55 мкм. Полиэтилен, парафин, тефлон, алмаз прозрачны для длины волны > 100 мкм. У большинства металлов отражательная способность для инфракрасного излучения значительно больше, чем для видимого света, и возрастает с увеличением длины волны инфракрасного излучения. Например, коэффициент отражения Al, Au, Ag, Cu при длине волны ~10 мкм достигает 98%. Жидкие и твёрдые неметаллические вещества обладают в инфракрасном спектре селективным отражением, причём положение максимумов отражения зависит от химического состава вещества.

Поглощение и рассеяние инфракрасного излучения при прохождении через земную атмосферу, приводит к ослаблению инфракрасного излучения. Азот и кислород воздуха не поглощают инфракрасное излучение и ослабляют его лишь в результате рассеяния, которое, однако, для инфракрасного излучения значительно меньше, чем для видимого света. Пары воды, углекислый газ, озон и другие примеси, имеющиеся в атмосфере, селективно поглощают инфракрасное излучение. Особенно сильно поглощают инфракрасное излучение пары воды, полосы поглощения которых расположены почти во всей инфракрасной области спектра, а в средней инфракрасной области — углекислый газ. В приземных слоях атмосферы в средней инфракрасной области имеется лишь небольшое число «окон», прозрачных для инфракрасного излучения.

Наличие в атмосфере взвешенных частиц — дыма, пыли, мелких капель воды (дымка, туман) — приводит к дополнительному ослаблению инфракрасного излучения в результате рассеяния его на этих частицах, причём величина рассеяния зависит от соотношения размеров частиц и длины волны инфракрасного излучения. При малых размерах частиц (воздушная дымка) инфракрасное излучение рассеивается меньше, чем видимое излучение (что используется в инфракрасной фотографии), а при больших размерах капель (густой туман) инфракрасное излучение рассеивается так же сильно, как и видимое излучение. Мощным источником инфракрасного излучения является Солнце, около 50% излучения которого лежит в инфракрасной области. Значительная доля (от 70 до 80%) энергии излучения ламп накаливания с вольфрамовой нитью приходится на инфракрасное излучение.

Мощным источником инфракрасного излучения является угольная электрическая дуга с температурой ~ 3900 К, излучение которой близко к излучению чёрного тела, а также различные газоразрядные лампы (импульсные и непрерывного горения). Для радиационного обогрева помещений применяют спирали из нихромовой проволоки, нагреваемые до температуры ~950 К. Для лучшей концентрации инфракрасного излучения, такие нагреватели снабжаются рефлекторами. В научных исследованиях, например, при получении спектров инфракрасного поглощения в разных областях спектра применяют специальные источники инфракрасного излучения: ленточные вольфрамовые лампы, штифт Нернста, глобар, ртутные лампы высокого давления и другие. Излучение некоторых оптических квантовых генераторов — лазеров, также лежит в инфракрасной области спектра; например, излучение лазера на неодимовом стекле имеет длину волны 1,06 мкм, лазера на смеси неона и гелия — 1,15 мкм и 3,39 мкм, лазера на углекислом газе — 10,6 мкм, полупроводникового лазера на InSb — 5 мкм и др

Преимущества и недостатки керамического и металлического нагревателей.

Для элементов из металла характерна сравнительно низкая эффективность (коэффициент эмиссии 55-60%) и для их изготовления использованы нержавеющая сталь или сплав инкаллой (сплав никеля, хрома и железа). Преимущество этого сплава — высокая устойчивость к коррозии. Элементы из металла много тепла отдают путём конвекции, следовательно, воздух нагревается быстрее.

Более новое поколение нагревательных элементов - керамические нагревательные элементы. Их коэффициент эмиссии выше 90%, в результате большинство тепла распространяется в виде инфракрасного излучения. У керамических элементов высокая инерция и они равномерно поддерживают температуру поверхности и спектр теплового излучения. (см. рис. 6.16.)