基于熱電偶模擬器的熱電傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討

曾兆權(quán)，龔立嬌，吳延祥

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000）

1 傳統(tǒng)熱電偶測(cè)溫曲線繪制實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

“檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)”是自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)和自動(dòng)轉(zhuǎn)換技術(shù)的總稱(chēng)，它是自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，主要內(nèi)容包括電氣工程實(shí)際中溫度、壓力、流量、流速等基本物理量的測(cè)試技術(shù)，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)，檢測(cè)通信系統(tǒng)的基本特性、測(cè)量系統(tǒng)(傳感器、變送器、顯示記錄器)的原理與構(gòu)成等[1,2]。我校電氣工程及其自動(dòng)化課程體系中開(kāi)設(shè)“檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)”課程，該課程包括8個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中，熱電偶測(cè)溫曲線繪制實(shí)驗(yàn)是該課程的重要實(shí)驗(yàn)之一。

然而，經(jīng)過(guò)近幾年的該實(shí)驗(yàn)教學(xué)，我們發(fā)現(xiàn)原有的熱電測(cè)溫曲線繪制實(shí)驗(yàn)存在以下三個(gè)方面的問(wèn)題，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

1.1 控溫裝置的靈敏度低，無(wú)法產(chǎn)生低于零度的溫度用于測(cè)量

原有的熱電偶實(shí)驗(yàn)控溫裝置是一個(gè)由加熱器、風(fēng)扇以及溫度傳感器組成的負(fù)反饋控制系統(tǒng)。當(dāng)操作者設(shè)定目標(biāo)溫度后，加熱器即開(kāi)始加熱，溫度傳感器檢測(cè)到裝置內(nèi)溫度高于設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)行降溫，直至裝置溫度低于設(shè)定值后再次啟動(dòng)加熱器升溫。因?yàn)檫@種控溫系統(tǒng)沒(méi)有制冷裝置，所以無(wú)法產(chǎn)生低于零度的測(cè)量環(huán)境。另外，由于控溫裝置的傳感器的靈敏度較低，系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在一個(gè)溫度值附近來(lái)回跳變的情況，進(jìn)而影響熱電偶所測(cè)量溫度值的準(zhǔn)確度。

1.2 熱電偶冷端補(bǔ)償精度低，實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度準(zhǔn)確度低

原有熱電偶實(shí)驗(yàn)裝置采用分立元件搭建的電橋和銅基熱電阻來(lái)進(jìn)行冷端補(bǔ)償。由于電橋補(bǔ)償法本身存在較大的補(bǔ)償誤差，且元器件都采用分立器件，存在較大的錯(cuò)配誤差，故熱電偶實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量溫度的準(zhǔn)確度較低。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一且時(shí)間較長(zhǎng)，過(guò)程單調(diào)、枯燥，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中缺乏主動(dòng)性和積極性

原有的熱電偶測(cè)溫實(shí)驗(yàn)采用的方式是學(xué)生設(shè)定一個(gè)目標(biāo)溫度，待控溫裝置達(dá)到穩(wěn)定的目標(biāo)溫度值時(shí)，測(cè)量一個(gè)熱電偶產(chǎn)生的電壓值，以此類(lèi)推，多次調(diào)節(jié)溫度測(cè)量出多個(gè)電壓值，進(jìn)而繪制出電壓—溫度曲線。由于等待控溫裝置穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中操作步驟較少，多數(shù)學(xué)生都感到枯燥乏味，影響了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性。

在“新工科”建設(shè)培養(yǎng)創(chuàng)新能力強(qiáng)且適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術(shù)人才的背景下，提高教學(xué)質(zhì)量，特別是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量顯得尤為重要，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革勢(shì)在必行[3-7]。為了克服上述傳統(tǒng)熱電偶測(cè)溫實(shí)驗(yàn)的局限性，提高熱電偶測(cè)溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，改善學(xué)生枯燥乏味的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，提高熱電偶實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，我們探索設(shè)計(jì)了一套基于熱電偶模擬器和熱電偶放大器的新型熱電偶測(cè)溫實(shí)驗(yàn)方案。

2 基于熱電偶模擬器和熱電偶放大器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革內(nèi)容

基于熱電偶模擬器和熱電偶放大器的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容分為三個(gè)部分:一是熱電偶模擬器的使用；二是搭建基于熱電偶放大器的測(cè)溫電路；三是熱電偶溫度—電壓曲線的繪制與誤差分析。實(shí)驗(yàn)采取循序漸進(jìn)、先易后難、逐步提升的教學(xué)方法，爭(zhēng)取提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)綜合知識(shí)的理解與運(yùn)用，鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ岣邔W(xué)生解決問(wèn)題的能力。

2.1 熱電偶模擬器的使用

熱電偶模擬器能夠模擬K、E、J、T、R、B、S、N型熱電偶的熱電特性。當(dāng)選定熱電偶類(lèi)型后，設(shè)定所模擬熱電偶的熱端（即測(cè)量端）溫度，熱電偶模擬器即能夠模擬輸出該類(lèi)型熱電偶在冷端為當(dāng)前使用環(huán)境溫度下所產(chǎn)生的熱電壓。以模擬K型熱電偶為例，當(dāng)前熱電偶模擬器使用的環(huán)境溫度為23℃，調(diào)節(jié)選擇熱端溫度為100℃，則熱電偶模擬器會(huì)輸出一個(gè)冷端為23℃，熱端為100℃的K型熱電偶所產(chǎn)生的熱電壓。熱電偶模擬器的優(yōu)勢(shì)是使用方便快捷，能夠精準(zhǔn)模擬多種類(lèi)型熱電偶，且能夠產(chǎn)生熱端溫度為負(fù)值時(shí)熱電偶產(chǎn)生的電壓值，克服了原有實(shí)驗(yàn)裝置控溫誤差大且無(wú)法產(chǎn)生負(fù)溫度的局限。通過(guò)使用熱電偶模擬器，學(xué)生不僅能夠理論聯(lián)系實(shí)際，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)理論教學(xué)中所涉及的最基本的K型熱電偶的測(cè)溫范圍和最佳線性區(qū)間有直觀的認(rèn)識(shí)，還能對(duì)其他多種類(lèi)型熱電偶如R型、J型熱電偶的特性都有直觀的了解。

2.2 搭建基于熱電偶放大器的測(cè)溫電路

為了改進(jìn)熱電偶測(cè)溫實(shí)驗(yàn)裝置，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力，我們將熱電偶放大器AD8495引入到熱電偶測(cè)溫實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生自己利用面包板，導(dǎo)線，AD8495模塊以及電阻電容等元器件搭建基于熱電偶放大器的測(cè)溫電路，讓學(xué)生動(dòng)手探索實(shí)踐，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，學(xué)生需要自主學(xué)習(xí)，通過(guò)查閱熱電偶放大器AD8495的數(shù)據(jù)手冊(cè)，設(shè)計(jì)適合特定類(lèi)型熱電偶的測(cè)溫電路，然后通過(guò)插接、焊接等操作將電路在面包板上搭建出來(lái)進(jìn)行調(diào)試。當(dāng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到類(lèi)似電路失調(diào)不工作，脫焊，電源電壓選錯(cuò)等問(wèn)題時(shí)，我們將引導(dǎo)學(xué)生找到問(wèn)題的源頭和解決方案，鍛煉其解決問(wèn)題的能力。由于實(shí)現(xiàn)測(cè)溫電路可以有多種不同電路結(jié)構(gòu)，因此本實(shí)驗(yàn)也具有一定的創(chuàng)新性。學(xué)生在做完一種電路結(jié)構(gòu)后可以嘗試搭建其他電路結(jié)構(gòu)，并比較兩種電路結(jié)構(gòu)的異同，達(dá)到觸類(lèi)旁通的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。熱電偶測(cè)溫實(shí)驗(yàn)示意圖如圖1。

圖1 一種基于熱電偶模擬器測(cè)溫實(shí)驗(yàn)示意圖

2.3 熱電偶溫度—電壓曲線的繪制與誤差分析

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生記錄下所設(shè)定的熱電偶模擬器模擬熱端溫度值TH，以及與之相對(duì)應(yīng)的熱電偶放大器的輸出電壓值VO，然后按照AD8495數(shù)據(jù)表中電壓—溫度換算等式，即可將輸出電壓值VO換算為所測(cè)量的溫度值THM，隨即逐點(diǎn)完成VO-TH曲線的繪制。同時(shí)，通過(guò)查詢(xún)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度表可以得到每個(gè)TH所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓值VSTD，完成VSTD-TH曲線的繪制，通過(guò)計(jì)算THM與TH的差值以及比較VO-TH和VSTD-TH兩條曲線的斜率差別即可得到測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差。在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，我們將引入誤差的原因作為分析題留給學(xué)生，以此鍛煉其分析誤差來(lái)源，舉一反三的能力，更好地幫助學(xué)生深入理解熱電偶測(cè)溫的原理和過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的工程素質(zhì)。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革成效

由于熱電偶模擬器能夠模擬多種類(lèi)型熱電偶的特性，學(xué)生不僅直觀地感受到了最基本的K型熱電偶特性，例如測(cè)溫上下限，高線性度溫度范圍等參數(shù)，而且對(duì)J型，R型等其它類(lèi)型熱電偶的相關(guān)特性也有了直觀的感性認(rèn)知。這是傳統(tǒng)熱電偶測(cè)溫實(shí)驗(yàn)所不能達(dá)到的效果。另一方面，因?yàn)闊犭娕挤糯笃饕呀?jīng)廣泛地應(yīng)用在實(shí)際工程中，學(xué)生通過(guò)新型熱電偶測(cè)溫實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋玫刭N近工程實(shí)際。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)親手設(shè)計(jì)搭建熱電偶測(cè)溫電路，能夠了解影響熱電偶測(cè)溫精準(zhǔn)度的相關(guān)電路知識(shí)，鍛煉了閱讀集成電路數(shù)據(jù)手冊(cè)，選擇元器件，搭建面包板電路等課程大綱所要求的基本技能。結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂情況及學(xué)生實(shí)驗(yàn)后的反饋，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生反應(yīng)良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生對(duì)“檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)驗(yàn)”中熱電偶相關(guān)知識(shí)的掌握更加全面系統(tǒng)。此次實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)，提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力，對(duì)更好服務(wù)于“新工科”建設(shè)將起到積極作用。