曾兆權，龔立嬌，吳延祥

（石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000）

1 傳統(tǒng)熱電偶測溫曲線繪制實驗教學現(xiàn)狀

“檢測與轉換技術”是自動檢測技術和自動轉換技術的總稱，它是自動化、電氣工程及其自動化、測控技術、機械設計與制造等專業(yè)的專業(yè)基礎課程，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，計算機數(shù)據(jù)采集與控制技術，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)的原理與構成等[1,2]。我校電氣工程及其自動化課程體系中開設“檢測與轉換技術”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，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，嚴重影響了實驗教學的效果。

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、風扇以及溫度傳感器組成的負反饋控制系統(tǒng)。當操作者設定目標溫度后，加熱器即開始加熱，溫度傳感器檢測到裝置內(nèi)溫度高于設定值時啟動風扇進行降溫，直至裝置溫度低于設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，進而影響熱電偶所測量溫度值的準確度。

1.2 熱電偶冷端補償精度低，實驗測量溫度準確度低

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行冷端補償。由于電橋補償法本身存在較大的補償誤差，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，導致學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生設定一個目標溫度，待控溫裝置達到穩(wěn)定的目標溫度值時，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)學生都感到枯燥乏味，影響了學生參與實驗的積極性。

在“新工科”建設培養(yǎng)創(chuàng)新能力強且適應經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術人才的背景下，提高教學質(zhì)量，特別是提高實驗教學質(zhì)量顯得尤為重要，實驗教學改革勢在必行[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)的準確度，改善學生枯燥乏味的實驗體驗，提高熱電偶實驗教學的教學質(zhì)量，我們探索設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改革內(nèi)容

基于熱電偶模擬器和熱電偶放大器的實驗設計內(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、先易后難、逐步提升的教學方法，爭取提高實驗教學質(zhì)量，加強學生對綜合知識的理解與運用，鍛煉學生的實驗能力，提高學生解決問題的能力。

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。當選定熱電偶類型后，設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，能夠精準模擬多種類型熱電偶，且能夠產(chǎn)生熱端溫度為負值時熱電偶產(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)生負溫度的局限。通過使用熱電偶模擬器，學生不僅能夠理論聯(lián)系實際，在實驗過程中對理論教學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

為了改進熱電偶測溫實驗裝置，提高學生理論聯(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，讓學生自己利用面包板，導線，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，讓學生動手探索實踐，充分發(fā)揮學生的主觀能動性。在實驗的過程中，學生需要自主學習，通過查閱熱電偶放大器AD8495的數(shù)據(jù)手冊，設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行調(diào)試。當學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，我們將引導學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構，因此本實驗也具有一定的創(chuàng)新性。學生在做完一種電路結構后可以嘗試搭建其他電路結構，并比較兩種電路結構的異同，達到觸類旁通的實驗教學效果。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，學生記錄下所設定的熱電偶模擬器模擬熱端溫度值TH，以及與之相對應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，隨即逐點完成VO-TH曲線的繪制。同時，通過查詢標準熱電偶分度表可以得到每個TH所對應的標準電壓值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準值之間的誤差。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，更好地幫助學生深入理解熱電偶測溫的原理和過程，培養(yǎng)學生嚴謹認真的工程素質(zhì)。

3 實驗教學改革成效

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特性也有了直觀的感性認知。這是傳統(tǒng)熱電偶測溫實驗所不能達到的效果。另一方面，因為熱電偶放大器已經(jīng)廣泛地應用在實際工程中，學生通過新型熱電偶測溫實驗能夠更好地貼近工程實際。在實驗過程中，學生通過親手設計搭建熱電偶測溫電路，能夠了解影響熱電偶測溫精準度的相關電路知識，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。結合實驗教學課堂情況及學生實驗后的反饋，我們發(fā)現(xiàn)學生反應良好。

4 結束語

通過教學實踐，學生對“檢測與轉換技術實驗”中熱電偶相關知識的掌握更加全面系統(tǒng)。此次實驗教學改革有效激發(fā)了學生的學習興趣，培養(yǎng)了學生嚴謹?shù)目蒲凶黠L，提高了學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。因此，通過實驗教學改革，提高實驗教學質(zhì)量，發(fā)揮實驗教學功能，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、動手能力，對更好服務于“新工科”建設將起到積極作用。