基于熱電偶模擬器的熱電傳感器實驗教學(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)熱電偶測溫曲線繪制實驗教學(xué)現(xiàn)狀

“檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)”是自動檢測技術(shù)和自動轉(zhuǎn)換技術(shù)的總稱，它是自動化、電氣工程及其自動化、測控技術(shù)、機(jī)械設(shè)計與制造等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要內(nèi)容包括電氣工程實際中溫度、壓力、流量、流速等基本物理量的測試技術(shù)，計算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)，檢測通信系統(tǒng)的基本特性、測量系統(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化課程體系中開設(shè)“檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)”課程，該課程包括8個實驗項目，其中，熱電偶測溫曲線繪制實驗是該課程的重要實驗之一。

然而，經(jīng)過近幾年的該實驗教學(xué)，我們發(fā)現(xiàn)原有的熱電測溫曲線繪制實驗存在以下三個方面的問題，嚴(yán)重影響了實驗教學(xué)的效果。

1.1 控溫裝置的靈敏度低，無法產(chǎn)生低于零度的溫度用于測量

原有的熱電偶實驗控溫裝置是一個由加熱器、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，加熱器即開始加熱，溫度傳感器檢測到裝置內(nèi)溫度高于設(shè)定值時啟動風(fēng)扇進(jìn)行降溫，直至裝置溫度低于設(shè)定值后再次啟動加熱器升溫。因為這種控溫系統(tǒng)沒有制冷裝置，所以無法產(chǎn)生低于零度的測量環(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)常會出現(xiàn)在一個溫度值附近來回跳變的情況，進(jìn)而影響熱電偶所測量溫度值的準(zhǔn)確度。

1.2 熱電偶冷端補(bǔ)償精度低，實驗測量溫度準(zhǔn)確度低

原有熱電偶實驗裝置采用分立元件搭建的電橋和銅基熱電阻來進(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，存在較大的錯配誤差，故熱電偶實驗裝置測量溫度的準(zhǔn)確度較低。

1.3 實驗內(nèi)容單一且時間較長，過程單調(diào)、枯燥，導(dǎo)致學(xué)生在實驗過程中缺乏主動性和積極性

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

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，特別是提高實驗教學(xué)質(zhì)量顯得尤為重要，實驗教學(xué)改革勢在必行[3-7]。為了克服上述傳統(tǒng)熱電偶測溫實驗的局限性，提高熱電偶測溫實驗系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，改善學(xué)生枯燥乏味的實驗體驗，提高熱電偶實驗教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，我們探索設(shè)計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溫實驗方案。

2 基于熱電偶模擬器和熱電偶放大器的實驗教學(xué)改革內(nèi)容

基于熱電偶模擬器和熱電偶放大器的實驗設(shè)計內(nèi)容分為三個部分: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溫電路；三是熱電偶溫度—電壓曲線的繪制與誤差分析。實驗采取循序漸進(jìn)、先易后難、逐步提升的教學(xué)方法，爭取提高實驗教學(xué)質(zhì)量，加強(qiáng)學(xué)生對綜合知識的理解與運(yùn)用，鍛煉學(xué)生的實驗?zāi)芰?，提高學(xué)生解決問題的能力。

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)選定熱電偶類型后，設(shè)定所模擬熱電偶的熱端（即測量端）溫度，熱電偶模擬器即能夠模擬輸出該類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℃，則熱電偶模擬器會輸出一個冷端為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)勢是使用方便快捷，能夠精準(zhǔn)模擬多種類型熱電偶，且能夠產(chǎn)生熱端溫度為負(fù)值時熱電偶產(chǎn)生的電壓值，克服了原有實驗裝置控溫誤差大且無法產(chǎn)生負(fù)溫度的局限。通過使用熱電偶模擬器，學(xué)生不僅能夠理論聯(lián)系實際，在實驗過程中對理論教學(xué)中所涉及的最基本的K型熱電偶的測溫范圍和最佳線性區(qū)間有直觀的認(rèn)識，還能對其他多種類型熱電偶如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溫電路

為了改進(jìn)熱電偶測溫實驗裝置，提高學(xué)生理論聯(lián)系實踐的能力，我們將熱電偶放大器AD8495引入到熱電偶測溫實驗中，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溫電路，讓學(xué)生動手探索實踐，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。在實驗的過程中，學(xué)生需要自主學(xué)習(xí)，通過查閱熱電偶放大器AD8495的數(shù)據(jù)手冊，設(shè)計適合特定類型熱電偶的測溫電路，然后通過插接、焊接等操作將電路在面包板上搭建出來進(jìn)行調(diào)試。當(dāng)學(xué)生在實驗過程中遇到類似電路失調(diào)不工作，脫焊，電源電壓選錯等問題時，我們將引導(dǎo)學(xué)生找到問題的源頭和解決方案，鍛煉其解決問題的能力。由于實現(xiàn)測溫電路可以有多種不同電路結(jié)構(gòu)，因此本實驗也具有一定的創(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)到觸類旁通的實驗教學(xué)效果。熱電偶測溫實驗示意圖如圖1。

圖1 一種基于熱電偶模擬器測溫實驗示意圖

2.3 熱電偶溫度—電壓曲線的繪制與誤差分析

在實驗過程中，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換算為所測量的溫度值THM，隨即逐點(diǎn)完成VO-TH曲線的繪制。同時，通過查詢標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度表可以得到每個TH所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓值VSTD，完成VSTD-TH曲線的繪制，通過計算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量值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差。在實驗報告中，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源，舉一反三的能力，更好地幫助學(xué)生深入理解熱電偶測溫的原理和過程，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的工程素質(zhì)。

3 實驗教學(xué)改革成效

由于熱電偶模擬器能夠模擬多種類型熱電偶的特性，學(xué)生不僅直觀地感受到了最基本的K型熱電偶特性，例如測溫上下限，高線性度溫度范圍等參數(shù)，而且對J型，R型等其它類型熱電偶的相關(guān)特性也有了直觀的感性認(rèn)知。這是傳統(tǒng)熱電偶測溫實驗所不能達(dá)到的效果。另一方面，因為熱電偶放大器已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在實際工程中，學(xué)生通過新型熱電偶測溫實驗?zāi)軌蚋玫刭N近工程實際。在實驗過程中，學(xué)生通過親手設(shè)計搭建熱電偶測溫電路，能夠了解影響熱電偶測溫精準(zhǔn)度的相關(guān)電路知識，鍛煉了閱讀集成電路數(shù)據(jù)手冊，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)合實驗教學(xué)課堂情況及學(xué)生實驗后的反饋，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生反應(yīng)良好。

4 結(jié)束語

通過教學(xué)實踐，學(xué)生對“檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)實驗”中熱電偶相關(guān)知識的掌握更加全面系統(tǒng)。此次實驗教學(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)問題、分析問題和解決問題的能力。因此，通過實驗教學(xué)改革，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，發(fā)揮實驗教學(xué)功能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、動手能力，對更好服務(wù)于“新工科”建設(shè)將起到積極作用。