建筑環(huán)境測試技術(shù)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的探索
——以典型接觸式測溫元件設(shè)計(jì)與校驗(yàn)為例

侯娜娜 李樹謙 李 浩 陳金良 高俊明

①河北水利電力學(xué)院土木工程學(xué)院

②河北省數(shù)據(jù)中心相變熱管理技術(shù)創(chuàng)新中心

③滄州市儲(chǔ)熱及低品位余熱利用型電磁供熱技術(shù)創(chuàng)新中心

綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是應(yīng)用型本科院校培養(yǎng)復(fù)合型人才的重要實(shí)踐內(nèi)容，其對(duì)于增強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立思考和自主創(chuàng)新的意識(shí)具有現(xiàn)實(shí)意義。筆者針對(duì)如何基于專業(yè)基礎(chǔ)課程進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，初步探索了綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)路徑，為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)相關(guān)課程綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開展提供借鑒。

在國家政策引導(dǎo)及市場需求的共同驅(qū)動(dòng)下，5G、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等“新基建”領(lǐng)域得以快速發(fā)展，而與之相對(duì)應(yīng)的應(yīng)用型、技術(shù)型、創(chuàng)新型人才卻出現(xiàn)了短缺。高校作為應(yīng)用型、技術(shù)技能型人才培養(yǎng)的主陣地，其擔(dān)負(fù)的職責(zé)與使命關(guān)乎未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展及國家安全命脈等重大問題。

針對(duì)如何培養(yǎng)面向未來的應(yīng)用型、技術(shù)技能型人才，教育部在《關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見》、《現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院建設(shè)指南（試行）》及《“十四五”時(shí)期教育強(qiáng)國推進(jìn)工程實(shí)施方案》提出要?jiǎng)?chuàng)新應(yīng)用型技術(shù)技能型人才培養(yǎng)模式，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、實(shí)習(xí)等實(shí)踐環(huán)節(jié)，并結(jié)合世界科技前沿及國家重大需求，布局建設(shè)一批國家產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺(tái)，突出培養(yǎng)專業(yè)能力和實(shí)踐應(yīng)用能力，通過產(chǎn)教融合、科教融合，培養(yǎng)互補(bǔ)、互利、互動(dòng)、多贏的實(shí)體性人才[1]。由此可見，實(shí)踐教學(xué)是高等教育的核心，對(duì)于應(yīng)用技術(shù)類轉(zhuǎn)型發(fā)展試點(diǎn)的地方應(yīng)用型本科院校而言尤其如此。探索適用于地方應(yīng)用型本科院校實(shí)踐教學(xué)深度改革途徑是增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的關(guān)鍵問題。

建筑環(huán)境測試技術(shù)是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，它所涉及的測量技術(shù)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)等知識(shí)在暖通空調(diào)、建筑給水排水、燃?xì)夤?yīng)及建筑環(huán)境評(píng)價(jià)等工程實(shí)際和科學(xué)研究中占有重要地位[2-3]。對(duì)于新升本科地方應(yīng)用型本科院校來說，目前其課程內(nèi)實(shí)驗(yàn)以演示性及驗(yàn)證性居多，而激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考和探索興趣且有利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)嚴(yán)重不足[4]。如何進(jìn)行課內(nèi)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)成為了新升本科地方應(yīng)用型院校目前所面臨的問題，以典型接觸式測溫元件的設(shè)計(jì)與校驗(yàn)為例，對(duì)建筑環(huán)境測試技術(shù)綜合設(shè)計(jì)性課內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

（1）熟悉和掌握接觸式測溫元件測溫的工作原理及測溫方法。

（2）掌握接觸式測溫元件的制作或選擇方法。

（3）掌握接觸式測溫元件的校驗(yàn)方法。

（4）培養(yǎng)應(yīng)用理論知識(shí)設(shè)計(jì)適用于不同工作場景的溫度測量元件的能力。

（5）培養(yǎng)分析和解決工程實(shí)際問題的能力。

2 實(shí)驗(yàn)原理

測溫元件與被測對(duì)象直接接觸，經(jīng)過足夠長時(shí)間的充分換熱達(dá)到熱平衡，測溫元件的某一物理參數(shù)的量值即代表了被測對(duì)象的溫度值。

3 實(shí)驗(yàn)要求和設(shè)計(jì)指標(biāo)

3.1 實(shí)驗(yàn)要求

（1）掌握典型接觸式測溫元件的設(shè)計(jì)及選取方法，制定具有可操作性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。

（2）根據(jù)所學(xué)理論知識(shí)繪出測溫的工作原理圖。

（3）熱電偶制作時(shí)其焊接點(diǎn)除了要牢固外，其表面要光滑圓潤有光澤、無氣孔等缺陷。焊接點(diǎn)的尺寸一般為熱電偶絲直徑的2～3倍，且需滿足OD-5012中電極裸露距離、最外絕緣層距熱端測點(diǎn)距離等相關(guān)外觀尺寸要求[5]。

（4）掌握熱電偶制作、熱電阻選取及二者的校驗(yàn)操作方法并認(rèn)真做好實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)的記錄[6]。

（5）制作完成的產(chǎn)品通過校驗(yàn)后能實(shí)現(xiàn)實(shí)際測溫功能。

3.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

（1）設(shè)計(jì)一種可以進(jìn)行溫度測量的元件并完成校驗(yàn)。

（2）接觸式測溫元件的應(yīng)用場景為：測量工業(yè)鍋爐高溫?zé)煔鉁囟龋?～200℃）、供暖換熱站二次網(wǎng)供回水溫度（0～100℃）、大功率LED發(fā)熱元件溫度（0～150℃）。

（3）根據(jù)所學(xué)理論知識(shí)及不同工程應(yīng)用場景選取相應(yīng)的熱電阻測溫元件或根據(jù)國家分類標(biāo)準(zhǔn)選用不同材料制作熱電偶測溫元件。自行設(shè)計(jì)熱電偶或熱電阻測量結(jié)果所需符合的精度等級(jí)要求（1/2/3級(jí)或A/B級(jí)），根據(jù)選定的精度等級(jí)再次確定測定溫度的有效范圍。

（4）根據(jù)所設(shè)計(jì)的精度等級(jí)核驗(yàn)所選熱電偶或熱電阻類型是否滿足GB/T16839.1-2018或JB/T 10500-2019中相應(yīng)的允差值。

4 實(shí)驗(yàn)（設(shè)計(jì)）儀器設(shè)備和材料清單

4.1 校驗(yàn)設(shè)備

（1）熱電偶校驗(yàn)裝置：由保溫管式電爐和電子控溫箱組成。

（2）熱電阻校驗(yàn)裝置：由冰點(diǎn)槽、水沸點(diǎn)槽及電測儀表箱（測溫線、溫控儀）構(gòu)成。

4.2 接觸式測溫元件設(shè)計(jì)及選取的主要設(shè)備

（1）T型、K型、J型熱電偶極線（外皮分別為鐵佛龍和玻璃纖維兩種材質(zhì)）。

（2）熱電偶點(diǎn)焊儀。

（3）鉑熱電阻、銅熱電阻。

5 實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作方法及注意事項(xiàng)

5.1 熱電偶點(diǎn)焊儀

a、操作方法。

（1）焊接前，應(yīng)檢查保證熱電偶的電極表面的清潔度和平滑度。清洗熱電偶測量端表面，除去熱電偶極線表面污垢、有機(jī)物和部分氧化物，必要時(shí)需進(jìn)行退火，以消除熱電極中的應(yīng)力，改善金相組織和提高穩(wěn)定性。

（2）點(diǎn)焊器插頭接通220V交流電源，面板上綠色指示燈亮起，此時(shí)可以進(jìn)行充電操作。隨后接通充電開關(guān)，紅色指示燈亮起，觀察點(diǎn)焊器面板電壓表，根據(jù)熱電偶絲直徑的粗細(xì)，及時(shí)關(guān)斷充電開關(guān)，紅色指示燈滅，用于焊接的充電電壓一般在100V-200V左右。

（3）將經(jīng)過處理好的兩根熱電偶金屬絲鉸接在一起，絞纏圈數(shù)不宜超過2-3圈。將其夾在點(diǎn)焊器鱷魚夾手柄上，并確認(rèn)夾持牢固。焊接前輕按2-3次輕觸開關(guān)，當(dāng)聽到接觸器吸合發(fā)出的“卡、卡”聲后將點(diǎn)焊器的另一個(gè)手柄上的碳棒與待焊熱電偶絲頭部接觸，按下手柄上的放電按鈕，熱電偶絲將焊接在一起。如一次未完成焊接，可再次充電，重復(fù)焊接直到達(dá)到要求為止。

b、注意事項(xiàng)。

每焊接一支熱電偶，都要重新進(jìn)行充電的操作，焊接完畢后，就不要再進(jìn)行充電，以防點(diǎn)焊器儲(chǔ)存的電能擊傷人。

5.2 熱電偶校驗(yàn)裝置

a、操作方法。

（1）將校驗(yàn)裝置與電源插座相連接。

（2）將均熱體放在管爐爐膛中心位置，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被檢熱電偶插入均熱體，并分別將連線與儀表箱上的連線端子對(duì)應(yīng)連接。

（3）按下加熱開關(guān)，指示燈亮，旋動(dòng)旋鈕，同時(shí)觀察電壓指示并將其旋轉(zhuǎn)到45V左右。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)定的溫度進(jìn)行反復(fù)調(diào)節(jié)，直至基本穩(wěn)定在需要的溫度范圍內(nèi)，當(dāng)爐溫在5min 內(nèi)變化不大于±1℃時(shí)即可進(jìn)行讀數(shù)。

b、注意事項(xiàng)。

在溫度基本穩(wěn)定情況下，爐溫變化不超過1℃時(shí)每支熱電偶的讀數(shù)不應(yīng)少于二次。

5.3 熱電阻校驗(yàn)裝置

a、操作方法。

（1）將實(shí)驗(yàn)樣品插頭插入校驗(yàn)裝置中，實(shí)驗(yàn)樣品是四線連接方式，連接時(shí)相同顏色插于紅線同一電阻標(biāo)識(shí)插孔中，正確插線后開啟電源，調(diào)節(jié)輸出電流為1mA,此時(shí)電阻R1和R2是串聯(lián)關(guān)系，拔動(dòng)電壓表分別測出電阻R1和R2上的電壓，進(jìn)而監(jiān)測電阻大小，此時(shí)電流由三位半電流表顯示。

（2）將實(shí)驗(yàn)樣品放入恒溫室中，恒溫室與加熱溫度控制儀相連接，測溫線與溫控儀上航空插座相連，此時(shí)顯示環(huán)境溫度。

（3）隨后連接與恒溫室相應(yīng)的加熱插孔，調(diào)節(jié)設(shè)定室溫以上溫度，一般取20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃，實(shí)測溫度會(huì)略低，可適當(dāng)調(diào)高一些，使實(shí)測溫度為上述數(shù)值，便于計(jì)算。校驗(yàn)時(shí)需在上述溫度點(diǎn)停留至少15分鐘，測量恒定電流下對(duì)應(yīng)電阻的電壓，得到在一定溫度時(shí)的電阻值。另外，為了利于傳熱均勻，可將恒溫室中加入導(dǎo)熱酯或?qū)嵊汀?/p>

b、注意事項(xiàng)。

（1）測量時(shí)分別記錄兩次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中一次為溫度由低到高，另一次為溫度由高到低，最終數(shù)據(jù)取兩次平均值。

（2）在記錄溫度由低到高電壓及電流數(shù)據(jù)時(shí)，在溫度達(dá)到設(shè)定值，且被測熱電阻溫度計(jì)的示值趨于穩(wěn)定在半小時(shí)不再有溫度上升或下降趨勢后，將讀取數(shù)據(jù)3～5次的平均值作為記錄數(shù)據(jù)。

（3）在記錄溫度由高到低電壓及電流數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)先使需校驗(yàn)的熱電阻冷卻，然后將其放入冰點(diǎn)槽的試管中，按動(dòng)溫度檢測按鈕觀察冰點(diǎn)槽溫度，在冰點(diǎn)槽的溫度無波動(dòng)時(shí)，將讀取數(shù)據(jù)3～5次的平均值作為記錄數(shù)據(jù)。

6 校驗(yàn)及分析方法

6.1 熱電偶校驗(yàn)及分析方法

（1）校驗(yàn)原理為將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被檢熱電偶進(jìn)行比較。

（2）熱電偶在正式校驗(yàn)前應(yīng)先進(jìn)行外觀檢查，觀察焊接點(diǎn)是否牢固，貴重金屬電極是否有嚴(yán)重的色斑或發(fā)黑現(xiàn)象，廉金屬熱電極是否有嚴(yán)重的腐蝕或脆弱現(xiàn)象。

（3）為了減少校驗(yàn)工作量，本次實(shí)驗(yàn)所用校驗(yàn)裝置推薦校驗(yàn)溫度點(diǎn)在600℃下進(jìn)行，且至少采集3個(gè)校驗(yàn)溫度點(diǎn)。

（4）熱電偶的讀數(shù)在每一個(gè)校驗(yàn)點(diǎn)上不得少于四次，取其平均值作為最終數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。最后取標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的平均溫度與被檢熱電偶的平均溫度的差值，比較其是否在規(guī)定允許偏差值范圍內(nèi)，進(jìn)而判斷其是否合格。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的平均溫度與被檢熱電偶的平均溫度的差值用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

6.2 熱電阻校驗(yàn)及分析方法

根據(jù)校驗(yàn)過程中得到的接標(biāo)準(zhǔn)熱電阻和被校熱電阻所對(duì)應(yīng)的直流電壓表的示值U和直流電流表的示值I，可以計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)熱電阻和被校熱電阻的阻值R，其計(jì)算式如下：

7 教學(xué)組織與實(shí)施過程

為保證教學(xué)內(nèi)容的順利開展，綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)采用以下教學(xué)流程，即：①教師講授基本理論知識(shí)；②學(xué)生分組進(jìn)行課下組內(nèi)討論、自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；③教師組織學(xué)生課上研討，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行論證，確定實(shí)驗(yàn)方案；④學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作；⑤整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果；⑥撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

8 結(jié)束語

綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)相較于演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)更需要學(xué)生發(fā)揮自主創(chuàng)新、探索學(xué)習(xí)的精神。綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開展需要達(dá)到鍛煉學(xué)生自主查閱資料、獲取有效信息能力的目標(biāo)，能夠使學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)選取實(shí)驗(yàn)儀器并設(shè)計(jì)出合理實(shí)驗(yàn)方案，較好地完成實(shí)驗(yàn)操作與數(shù)據(jù)分析并在出現(xiàn)誤差較大時(shí)進(jìn)行原因分析?？梢灶A(yù)見的是，綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)更加注重學(xué)生的思維能力與實(shí)踐能力的培養(yǎng)，對(duì)傳統(tǒng)高校理論教學(xué)較完備、實(shí)踐教學(xué)弱化的現(xiàn)狀有所改善，通過利用學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢為新升本科地方高校的應(yīng)用型轉(zhuǎn)型發(fā)展增添助力。