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聯系我們 熱電偶是一種應用極為廣泛的測溫儀表,具有結構簡單、準確度高、使用方便、適于遠距離測量與自動控制等優點，熱電偶的制作與標定實驗是許多理工科大學生必須掌握的基本實驗.在過去,熱電偶制作實驗基本以單一的熱電偶焊接為主,很少在此基礎上做進一步的拓展,實驗過程單調、枯燥,基本概念不夠清晰,教學效果并不理想，德國教育家第斯多惠說:“教學的藝術不僅在于傳授本領,而更重要的是在于激勵、喚醒和鼓舞.”要激發不同層次學生的學習興趣,就必須從教學內容、教學方法和教學手段入手,逐步打破傳統課程和實驗設置的封閉性,將相互之間有內在的課程和實驗項目進行整合.本實驗根據專業理論課的教學要求設置實驗內容,以興趣驅動、自主實驗、重在過程為實施原則,采取循序漸進、先易后難、逐步提升的實驗方法.以掌握熱電偶的工作原理為基本目標,綜綜合設計了萬用表測量溫度、熱電偶的制作和基于熱電偶溫度控制３個逐步提升又相互關聯的實驗
１、基本原理
熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件,它把溫度信號轉換成熱電動勢信號,再通過電氣儀表轉換成被測介質的溫度.熱電偶測溫的基本原理是基于１８２１年塞貝克發現的熱電現象,即２種不同成分材質的導體組成閉合回路,當兩端存在溫度梯度時,回路中就會有電流通過,在在回路中就會產生電動勢,此種現象稱為熱電效應,該電動勢即為“塞貝克溫差電動勢”,簡稱“熱電動勢”.２種不同成分的均質導體稱為熱電極,溫度較高的一端為工作端(熱端、、測量端),溫度較低的一端為自由端(冷端、參考端).自由端通常處于某個恒定的溫度下.熱端通常焊接在一起,測量時將它置于被測場所;;冷端與顯示儀表或配套儀表連接,顯示儀表會指出熱電偶所產生的熱電勢.
２、實驗設計
２．１ 萬用表測量溫度實驗驗——基礎性實驗
從人才能力結構的組成來看看,基礎性、驗證性實驗側重于對理論知識的理解和記憶,激發學生的學習興趣.在在簡單介紹了熱電偶的工作原理后,若直接進行熱電偶的制作實驗,容易造成概念抽象、枯燥乏味的印象,學生不易理解.設置該實驗的目的是通過使用萬用表測量溫度,使學生了解熱電偶的基本組成結構和基本工作原理.使用設備為FLUKE的１７B型萬用表和隨機配用的熱電偶１根,如圖１所示.
FLUKE１７B型萬用表具有熱電偶測溫功能,隨機配用１根K型熱電偶偶,測量范圍為－５０℃~４００℃,操作步驟簡單明了.將熱電偶的冷端與萬用表的對應接口連接,熱端放置在待測溫位置,旋轉萬用表的功能選擇旋鈕,選擇溫度測量功能.等待溫度示數穩定后,從顯示屏上讀出待測物體的溫度度.本實驗操作過程簡單直接,可使學生在短時間內對熱電偶的基本工作原理建立起感性認識識,幫助學生理解熱電偶的的“熱端”、“冷端”等基本概念,而且還激發了學生想要進一步了解熱電偶、學習熱電偶制作的興趣,開啟“興趣驅動、自主探究”的學習模式.
２．２ 熱電偶的制作實驗—實踐性實驗
熱電偶的制作被設計成實踐性實驗教學項目,學生由興趣驅動,自主去體驗、、去去探索、去實踐,從而培養學生的工程實踐能力和工程創新能力,實現知識向能力的轉化化.熱電偶制作的主要工藝是把２根材質不同的偶絲并排焊接在一起,,使其在測量端形成一個圓形小球.焊接的質量直接影響熱電偶測溫的可靠性.對測量端的要求是焊接牢固、表面圓滑、具有金屬光澤、無玷污變質和裂紋等.為了減小熱傳導誤差和動態響應誤差,焊點的尺寸應盡量小,通常為熱電極線徑的２倍,因此制作熱電偶的關鍵就是熱電偶的焊接.熱電偶的焊接方法有很多種,如用熱電偶焊接工具、直流電弧焊、鹽水焊接、水銀焊接等,實驗室焊接方法主要采用飽和食鹽水焊接.焊接裝置如圖２所示.
燒杯中盛有飽和試劑級水溶液,熱電偶作為電源的一極,用一段導體放入鹽水中作為另一極,通過變壓器調整輸出電壓,電弧高溫能將熱電偶測量端熔化成小球,焊接時將熱電極與鹽水稍接觸起弧后迅速離開.此種焊接方法,設備簡單、操作方便.焊接端應注意避免出現氣孔和夾雜。
２．３ 基于熱電偶溫度控制實驗—設計性實驗
設計性實驗要求學生在扎實的理論基礎上拓寬知識面,培養較強的實驗動手能力和分析、解決問題的能力.該實驗的設置,使學生在了解了熱電偶的工作原理和制作方法的基礎上,進一步學習熱電偶的工作特性曲線和典型應用電路,結合電路調試的知識,將熱敏電阻電路的工作點調到合適的狀態,并學會自行設計采樣點和采樣頻率,觀察采集到的熱信號的實時變化情況,改變采樣點和采樣頻率,觀察波形,并比對不同采樣情況下所采集到的信號波形.該實驗采用作為功率放大器提供熱電偶所需功率率,采用軟件控制Aoo輸出０~５V電壓作為熱電偶的輸入電壓,采采用Aii０采集溫度信號,見圖３.程序對采集的信號進行分析與處理,熱電偶溫度控制實驗的測試界面見圖４.
設計性實驗部分將自動控制原理課程應用于冶金物理化學的實驗教學中,*涵蓋了熱電偶的制作、電路調試和數據采集處理的知識.通過電路調試、設定采樣點和采樣頻率、跟蹤檢測溫度由室溫上升到報警限的變化過程,使學生更充分地理解了熱電偶的工原理、工作特性曲線和典型應用電路,學生的綜合設計能力、創新能力和動手能力得到了很大的提高。
３、教學效果
本實驗項目以了解和掌握熱電偶的工作原理為基本目標,系統地設置了萬用表測溫、熱電偶的制作和基于熱電偶溫度控制３個逐步提升
又相互關聯的綜合設計性實驗.３個部分內容的實驗目標相同,研究對象相同,涉及的基本概念逐步擴充.整個實驗的設計內容相互關聯,,逐步提升,有機統一,可以提高學生的實踐動手能力、改善其對專業知識的掌握深度、強化其創新潛質,培養出具有工程實踐能力、工工程設計能力和工程創新能力的“工程師”.實際教學情況以及學生課后反饋意見表明,該實驗設計加強了學生對熱電偶工作原理、制作方法和電路調試知識的理解和掌握,積累了工程實踐經驗,進一步加強了學生綜合運用所學知識多角度分析、解決問題的能力。
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