熱電偶溫度計(jì)制作綜合實(shí)踐

摘要:具有溫度測(cè)量功能的萬用表測(cè)量溫度,飽和食鹽水法制作熱電偶、基于LabVIEw的熱電偶溫度控制3個(gè)梯度分明,使學(xué)生全面掌握熱電偶的基本工作原理和制作方法，教學(xué)應(yīng)用層次分明循序漸進(jìn)，從感觀認(rèn)識(shí)到動(dòng)手制作,再到數(shù)據(jù)采集分析。
　　熱電偶是一種應(yīng)用極為廣:泛的測(cè)溫儀表.具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單精度高使用方便適于遠(yuǎn)距離測(cè)量與自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)。熱電偶的制作與標(biāo)定是許多理工科大學(xué)生必須掌握的基本在過去.熱電偶制作基本以單一的熱電偶焊接為主.很少在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的拓展。采取循序漸進(jìn)先易后難逐步提升的方法以掌握熱電偶的工作原理為基本目標(biāo).綜合設(shè)計(jì)了萬用表測(cè)量溫度熱電偶的制作和基于LabVIEW的熱電偶溫度控制3個(gè)逐步提升又相互關(guān)聯(lián)。
1基本原理
　　熱電偶是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件它把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)再通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度熱電偶測(cè)溫的基本原理是基于1821年塞貝克發(fā)現(xiàn)的熱電現(xiàn)象.即2種不同成分材質(zhì)的導(dǎo)體組成閉合回路、當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過.在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì).此種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng).該電動(dòng)勢(shì)即為.塞貝克溫差電動(dòng)勢(shì)，簡(jiǎn)稱.熱電動(dòng)勢(shì)2種不同成分的均質(zhì)導(dǎo)體稱為熱電極.溫度較高的一端為工作端{(lán)熱端測(cè)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(gè)恒定的溫度下熱端通常焊接在一起測(cè)量時(shí)將它置于被測(cè)場(chǎng)所，冷端與顯示儀表或配套儀表連接.顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。
2設(shè)計(jì)
2.1萬用表測(cè)量溫度
　　從人才能力結(jié)構(gòu)的組成來看。基礎(chǔ)性驗(yàn)證性側(cè)重于對(duì)理論知識(shí)的理解和記憶.激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣_在簡(jiǎn)單介紹了熱電偶的工作原理后，若直接進(jìn)行熱電偶的制作，容易造成概念抽象枯燥乏味的印象學(xué)生不易理解設(shè)置是通過使用萬用表測(cè)量溫度。使學(xué)生了解熱電偶的基本組成結(jié)構(gòu)和基本工作原理使用設(shè)備為FLUKE的17B型萬用表和隨機(jī)配用的熱電偶1根.如圖1所示。
 
　　萬用表具有熱電偶測(cè)溫功能,隨機(jī)配用1根K型熱電偶，測(cè)量范圍為-50℃~400℃操作步驟簡(jiǎn)單明了將熱電偶的冷端與萬用表的對(duì)應(yīng)接口連接.熱端放置在待測(cè)溫位置.旋轉(zhuǎn)萬用表的功能選擇旋鈕、選擇溫度測(cè)量功能_等待溫度示數(shù)穩(wěn)定后.從顯示屏上讀出待測(cè)物體的溫度。
操作過程簡(jiǎn)單直接.可使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)對(duì)熱電偶的基本工作原理建立起感性認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生:理解熱電偶的“熱端”“冷端”等基本概念.而且還激發(fā)了學(xué)生想要進(jìn)一步了解熱電偶學(xué)習(xí)熱電偶制作的興趣。開啟興趣驅(qū)動(dòng)自主探究[8-9]的學(xué)習(xí)模式
2.2熱電偶的制作
　　熱電偶的制作被設(shè)計(jì)成實(shí)踐性教學(xué)項(xiàng)目學(xué)生由興趣驅(qū)動(dòng).自主去體驗(yàn)去探索去實(shí)踐。從而培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和工程創(chuàng)新能力實(shí)現(xiàn)知識(shí)向能力的轉(zhuǎn)化。熱電偶制作的主要工藝是把2根材質(zhì)不同的偶絲并排焊接在一起。使其在測(cè)量端形.成一個(gè)圓形小球焊接的質(zhì)量直接影響熱電偶測(cè)溫的可靠性對(duì)測(cè)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(zhì)和裂紋等為了減小熱傳導(dǎo)誤差和動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差焊點(diǎn)的尺寸應(yīng)盡量小通常為熱電極線徑的2倍因此制作熱電偶的關(guān)鍵就是熱電偶的焊接熱電偶的焊接方法有很多種。如用熱電偶焊接專用工具直流電弧焊鹽水焊接_水銀焊接等.焊接方法主要采用飽和食鹽水焊，接焊接裝置如圖2所示，
 
　　燒杯中盛有飽和氯化鈉(試劑級(jí))水溶液.熱電偶作為電源的一極。用一段導(dǎo)體放入鹽水中作為另一極.通過變壓器調(diào)整輸出電壓電弧高溫能將熱電偶測(cè)量端熔化成小球焊接時(shí)將熱電極與鹽水稍接觸起弧后迅速離開此種焊接方法設(shè)備簡(jiǎn)單操作方便焊接端應(yīng)注意避免出現(xiàn)氣孔和夾雜。
2.3基于LabVIEW的熱電偶溫度控制
　　在了解了熱電偶的工作原理和制作方法的基礎(chǔ)上.進(jìn)一步學(xué)習(xí)熱電偶的工作特性曲線和典型應(yīng)用電路結(jié)合電路調(diào)試的知識(shí).將熱敏電阻電路的工作點(diǎn)調(diào)到合適的狀態(tài).并學(xué)會(huì)自行設(shè)計(jì)采樣點(diǎn)和采樣頻率.觀察采集到的熱信號(hào)的實(shí)時(shí)變化情況。改變采樣點(diǎn)和采樣頻率.觀察波形并比對(duì)不同采樣情況下所采集到的信號(hào)波形。
 
　　采用OPA541作為功率放大器提供熱電的偶所需功率。采用軟件控制.ELVISAo0輸出0~5V電壓作為熱電偶的輸入電壓.采用ELVIS的Ai0采集溫度信號(hào).見圖程序?qū)Σ杉男盘?hào)進(jìn)行分析與3。處理熱電偶溫度控制測(cè)試界面見圖4。
 
　　將自動(dòng)控制原理課程應(yīng)用于冶金物理化學(xué)的教學(xué)中，完全涵蓋了熱電偶的制作電路調(diào)試和數(shù)據(jù)采集處理的知識(shí)通過電路調(diào)試設(shè)定采樣點(diǎn)和采樣頻率跟蹤檢測(cè)溫度由室溫上升到報(bào)警限的變化過程。使學(xué)生更充分地理解了熱電偶的工作原理工作特性曲線和典型應(yīng)用電路學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力得到了很大的提高。
3教學(xué)效果
　　了解和掌握熱電偶的工作原理為基本目標(biāo)系統(tǒng)地設(shè)置了萬用表測(cè)溫?zé)犭娕嫉闹谱骱突贚abVIEW的熱電偶溫度控制3個(gè)逐步提升又相互關(guān)聯(lián)的綜合設(shè)計(jì)性3個(gè)部分內(nèi)容的目標(biāo)相同。研究對(duì)象相同。涉及的基本概念逐步擴(kuò)充。整個(gè)內(nèi)容相互關(guān)聯(lián)、逐步提升.有機(jī):統(tǒng)一。可以提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力改善其對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌握深度強(qiáng)化其創(chuàng)新潛質(zhì)，培養(yǎng)出具有工程實(shí)踐能力、工程設(shè)計(jì)能力和工程創(chuàng)新能力的工程師，。實(shí)際教學(xué)情況以及學(xué)生課后反饋意見表明.加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)熱電偶工作原理制作方法和電路調(diào)試知識(shí)的理解和掌握.積累了工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。進(jìn)一步加強(qiáng)了綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)多角度分析解決問題的能力。
4結(jié)語
　　熱電偶綜合打破了傳統(tǒng)的熱電偶相關(guān)設(shè)置的封閉性,充分整合了冶金物理化學(xué)和冶金自動(dòng)化控制課程中關(guān)于熱電偶的部分、循序漸進(jìn)層次分明先易后難地設(shè)計(jì)了3個(gè)部分的內(nèi)容從感觀認(rèn)識(shí)到動(dòng)手制作、再到數(shù)據(jù)采集分析。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度控制.不僅完成理論知識(shí)點(diǎn)的驗(yàn)證。而且啟動(dòng)“興趣驅(qū)動(dòng)自主探索創(chuàng)新實(shí)踐的學(xué)習(xí)模式。