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热电偶温度计制作综合实验的设计与实践
点击次数:834 发布时间:2016-02-25

  热电偶是一种应用极为广泛的测温仪表,具有结构简单、准确度高、使用方便、适于远距离测量与自动控制等优点,热电偶的制作与标定实验是许多理工科大学生必须掌握的基本实验.在过去,热电偶制作实验基本以单一的热电偶焊接为主,很少在此基础上做进一步的拓展,实验过程单调、枯燥,基本概念不够清晰,教学效果并不理想,德国教育家第斯多惠说:“教学的艺术不仅在于传授本领,而更重要的是在于激励、唤醒和鼓舞.”要激发不同层次学生的学习兴趣,就必须从教学内容、教学方法和教学手段入手,逐步打破传统课程和实验设置的封闭性,将相互之间有内在的课程和实验项目进行整合.本实验根据专业理论课的教学要求设置实验内容,以兴趣驱动、自主实验、重在过程为实施原则,采取循序渐进、先易后难、逐步提升的实验方法.以掌握热电偶的工作原理为基本目标,综综合设计了万用表测量温度、热电偶的制作和基于热电偶温度控制3个逐步提升又相互关联的实验
1、基本原理
热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件,它把温度信号转换成热电动势信号,再通过电气仪表转换成被测介质的温度.热电偶测温的基本原理是基于1821年塞贝克发现的热电现象,即2种不同成分材质的导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,在在回路中就会产生电动势,此种现象称为热电效应,该电动势即为“塞贝克温差电动势”,简称“热电动势”.2种不同成分的均质导体称为热电极,温度较高的一端为工作端(热端、、测量端),温度较低的一端为自由端(冷端、参考端).自由端通常处于某个恒定的温度下.热端通常焊接在一起,测量时将它置于被测场所;;冷端与显示仪表或配套仪表连接,显示仪表会指出热电偶所产生的热电势.
2、实验设计
2.1 万用表测量温度实验验——基础性实验
从人才能力结构的组成来看看,基础性、验证性实验侧重于对理论知识的理解和记忆,激发学生的学习兴趣.在在简单介绍了热电偶的工作原理后,若直接进行热电偶的制作实验,容易造成概念抽象、枯燥乏味的印象,学生不易理解.设置该实验的目的是通过使用万用表测量温度,使学生了解热电偶的基本组成结构和基本工作原理.使用设备为FLUKE的17B型万用表和随机配用的热电偶1根,如图1所示.

FLUKE17B型万用表具有热电偶测温功能,随机配用1根K型热电偶偶,测量范围为-50℃~400℃,操作步骤简单明了.将热电偶的冷端与万用表的对应接口连接,热端放置在待测温位置,旋转万用表的功能选择旋钮,选择温度测量功能.等待温度示数稳定后,从显示屏上读出待测物体的温度度.本实验操作过程简单直接,可使学生在短时间内对热电偶的基本工作原理建立起感性认识识,帮助学生理解热电偶的的“热端”、“冷端”等基本概念,而且还激发了学生想要进一步了解热电偶、学习热电偶制作的兴趣,开启“兴趣驱动、自主探究”的学习模式.
2.2 热电偶的制作实验—实践性实验
热电偶的制作被设计成实践性实验教学项目,学生由兴趣驱动,自主去体验、、去去探索、去实践,从而培养学生的工程实践能力和工程创新能力,实现知识向能力的转化化.热电偶制作的主要工艺是把2根材质不同的偶丝并排焊接在一起,,使其在测量端形成一个圆形小球.焊接的质量直接影响热电偶测温的可靠性.对测量端的要求是焊接牢固、表面圆滑、具有金属光泽、无玷污变质和裂纹等.为了减小热传导误差和动态响应误差,焊点的尺寸应尽量小,通常为热电极线径的2倍,因此制作热电偶的关键就是热电偶的焊接.热电偶的焊接方法有很多种,如用热电偶焊接专用工具、直流电弧焊、盐水焊接、水银焊接等,实验室焊接方法主要采用饱和食盐水焊接.焊接装置如图2所示.

烧杯中盛有饱和试剂级水溶液,热电偶作为电源的一极,用一段导体放入盐水中作为另一极,通过变压器调整输出电压,电弧高温能将热电偶测量端熔化成小球,焊接时将热电极与盐水稍接触起弧后迅速离开.此种焊接方法,设备简单、操作方便.焊接端应注意避免出现气孔和夹杂。
2.3 基于热电偶温度控制实验—设计性实验
设计性实验要求学生在扎实的理论基础上拓宽知识面,培养较强的实验动手能力和分析、解决问题的能力.该实验的设置,使学生在了解了热电偶的工作原理和制作方法的基础上,进一步学习热电偶的工作特性曲线和典型应用电路,结合电路调试的知识,将热敏电阻电路的工作点调到合适的状态,并学会自行设计采样点和采样频率,观察采集到的热信号的实时变化情况,改变采样点和采样频率,观察波形,并比对不同采样情况下所采集到的信号波形.该实验采用作为功率放大器提供热电偶所需功率率,采用软件控制Aoo输出0~5V电压作为热电偶的输入电压,采采用Aii0采集温度信号,见图3.程序对采集的信号进行分析与处理,热电偶温度控制实验的测试界面见图4.
设计性实验部分将自动控制原理课程应用于冶金物理化学的实验教学中,完全涵盖了热电偶的制作、电路调试和数据采集处理的知识.通过电路调试、设定采样点和采样频率、跟踪检测温度由室温上升到报警限的变化过程,使学生更充分地理解了热电偶的工原理、工作特性曲线和典型应用电路,学生的综合设计能力、创新能力和动手能力得到了很大的提高。

3、教学效果
本实验项目以了解和掌握热电偶的工作原理为基本目标,系统地设置了万用表测温、热电偶的制作和基于热电偶温度控制3个逐步提升
又相互关联的综合设计性实验.3个部分内容的实验目标相同,研究对象相同,涉及的基本概念逐步扩充.整个实验的设计内容相互关联,,逐步提升,有机统一,可以提高学生的实践动手能力、改善其对专业知识的掌握深度、强化其创新潜质,培养出具有工程实践能力、工工程设计能力和工程创新能力的“工程师”.实际教学情况以及学生课后反馈意见表明,该实验设计加强了学生对热电偶工作原理、制作方法和电路调试知识的理解和掌握,积累了工程实践经验,进一步加强了学生综合运用所学知识多角度分析、解决问题的能力。

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