熱電偶溫度計制作綜合實踐

摘要:具有溫度測量功能的萬用表測量溫度,飽和食鹽水法制作熱電偶、基于LabVIEw的熱電偶溫度控制3個梯度分明,使學生全面掌握熱電偶的基本工作原理和制作方法，教學應用層次分明循序漸進，從感觀認識到動手制作,再到數據采集分析。
　　熱電偶是一種應用極為廣:泛的測溫儀表.具有結構簡單精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是許多理工科大學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.很少在此基礎上做進一步的拓展。采取循序漸進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.綜合設計了萬用表測量溫度熱電偶的制作和基于LabVIEW的熱電偶溫度控制3個逐步提升又相互關聯。
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設計
2.1萬用表測量溫度
　　從人才能力結構的組成來看。基礎性驗證性側重于對理論知識的理解和記憶.激發學生的學習興趣_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，容易造成概念抽象枯燥乏味的印象學生不易理解設置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。
 
　　萬用表具有熱電偶測溫功能,隨機配用1根K型熱電偶，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。
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，幫助學生:理解熱電偶的“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[8-9]的學習模式
2.2熱電偶的制作
　　熱電偶的制作被設計成實踐性教學項目學生由興趣驅動.自主去體驗去探索去實踐。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。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)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。
 
　　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.見圖程序對采集的信號進行分析與3。處理熱電偶溫度控制測試界面見圖4。
 
　　將自動控制原理課程應用于冶金物理化學的教學中，完全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作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
　　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LabVIEW的熱電偶溫度控制3個逐步提升又相互關聯的綜合設計性3個部分內容的目標相同。研究對象相同。涉及的基本概念逐步擴充。整個內容相互關聯、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.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。進一步加強了綜合運用所學知識多角度分析解決問題的能力。
4結語
　　熱電偶綜合打破了傳統的熱電偶相關設置的封閉性,充分整合了冶金物理化學和冶金自動化控制課程中關于熱電偶的部分、循序漸進層次分明先易后難地設計了3個部分的內容從感觀認識到動手制作、再到數據采集分析。進而實現溫度控制.不僅完成理論知識點的驗證。而且啟動“興趣驅動自主探索創新實踐的學習模式。