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熱電偶案例式教學在熱工測量及儀表中的實踐探索應用

來源:www.kimmosasi.net作者:劉長青,陳茂,周東一,武德智,王紅梅發表時間:2019-08-12 16:17:29

摘 要:學生缺乏實際工程經驗,對熱工測量及儀表實踐性非常高的課程學習比較困難,同時該課程是能動專業一門非常重要的課程。本文將案例式教學引入熱工測量及儀表教學中,以熱電偶三大定律的討論為例,設計了案例式教學的過程,學生學習效果顯著提高。
 
熱工測量及儀表是能源與動力工程專業一門重要的專業核心課程。正確和快速測量相應參數是熱工設備實現自動化和智能化的前提條件。主要涉及溫度、壓力、流量和液位、位移、振動、氣體成分等物理參數的測量,同時也包括相應的專業概念,誤差處理和數據正確表達。內容比較分散,涉及的課程內容比較多,如流體力學、傳熱學、電工學等等,實踐性非常強的一門課程,對於實踐經驗較少的學生來說,學習起來困難比較大。如果采取傳統的知識點講授,學生掌握的內容非常有限。案例式教學就是將工程實際案例引入課堂,結合涉及到的具體知識點與學生深入分析與討論。避免比較泛泛而談的灌輸式教學過程,這樣可以讓學生更直觀地理解和掌握所學的知識。
 
本文以熱工測量及儀表課程中最重要且較難的內容為例講授如何設計案例式教學過程——熱電偶測溫三大基本定律是熱電偶應用於實際中所遵循的基本原理。包括均質導體定律、中間導體定律和中間溫度。
 
一 三大基本定律
(一) 均質導體定律
由一種均質導體組成的閉合回路中,不論其截麵和長度如何以及沿長度方向上各處的溫度分布如何,該回路中的總熱電勢等於零。
 
1. 熱電偶必須由兩種不同性質的材料構成;
 
2. 由一種材料組成的閉合回路存在溫差時,回路如產生熱電動勢,便說明該材料是不均勻的。應該檢查熱電極材料的均勻性。
這條規律還要求熱電偶的兩種材料必須各自都是均質的,否則會由於沿熱電偶長度方向存在溫度梯度而產生附加電勢,從而因熱電偶材料的不均勻性引入誤差。
 
(二) 中間導體定律
由不同材料組成的閉合回路中,若各種材料接觸點的溫度都相同,則回路中熱電勢的總和等於零。在熱電偶回路中接入第三種導體,隻要第三種導體兩端溫度相同,該導體的引入對熱電偶回路的總電勢沒有影響。
同理,熱電偶回路中接入多種導體後,隻要保證接入的每種導體的兩端溫度相同,則對熱電偶的熱電勢沒有影響。
如果兩導體 A、B 對另一種參考導體 C 的熱動勢為已知,則這兩種導體組成熱電偶的熱電動勢是它們對參考導體熱電動勢的代數和。
該定律表明熱電偶回路中可接入各種儀表或連接導線。隻要儀表或導線處於穩定的環境溫度,原熱電偶回路的熱電勢將不受接入儀表或導線的影響。該定律還表明熱電偶的接點不僅可以焊接而成,也可以借助均質等溫的導體加以連接。
 
(三) 中間溫度定律
熱電偶回路中,兩接點溫度分別為 T、T 0 時的熱電勢,等於接點溫度為 T、T N 和 T N 、T 0 的兩支同性質熱電偶的熱電勢的代數和。
E AB (T,T 0 )=E AB (T,T N )+E AB (T N ,T 0 )該定律說明當熱電偶參比端溫度 t 0 ≠ 0℃時,隻要能測得熱電勢 E(t,t 0 ),且 t 0 已知,仍可以采用熱電偶分度表求得被測溫度 t 值。
在熱電偶回路中,如果熱電偶的電極材料 A 和B 分別與連接導體 A’和 B’相連接,各有關接點溫度為 t,tn 和 t 0 ,那麽回路的總熱電勢等於熱電偶兩端處於 t 和 tn 溫度條件下的熱電勢 E AB (t,tn) 與連接導線 A’和 B’兩端處於 tn 和 t 0 溫度條件下的熱電勢 EA’B’(tn,t 0 ) 的代數和。
E ABB’A’ (t,tn,t 0 )= E AB (t,tn)+ E A’B’ (tn,t 0 )
這是應用補償導線的基礎。
如果就是簡單地在課堂上講述這些知識點,學生缺乏相應的實踐工程背景,基本上不可能接受。
 
二 案例式教學設計
(一) 用熱電偶測量金屬壁麵溫度有兩種方案,如圖1 所示,當熱電偶具有相同的參考端溫度 t 0 時,問(1)在壁溫相等的兩種情況下,儀表的示值是否一樣?為什麽?(2)如果金屬壁麵材質分布不均勻,溫度處處相等,儀表的示值是否一樣?為什麽?(3)如果金屬壁麵材質分布均勻,溫度不相等,儀表的示值是否一樣?為什麽?這樣可以一步步引導學生考慮到中間導體和中間定律在工程實際中的應用。
20190812162618.jpg
二) 電子電位差計校驗
關鍵點:用手動電位差計代替熱電偶輸入電勢信號。 手動電位差計和熱電偶輸出都為電勢信號。
手動電位差計端輸入 E AB (T1,0) 的電勢信號(毫伏值),被檢電子電位差計理論溫度顯示值?
可以引導學生,基於中間導體定律和中間溫度定律得出圖 2,圖 3 和圖 4 中的熱電動勢分別為:
E AB (T 1 ,0)+E AB (0,T 環 境 ) +E AB (T 環 境 ,0)=E AB (T 1 ,0)
E AB (T 1 ,0)+ E AB (T 環 境 ,0)+E AB (T 環 境 ,0)=E AB (T 1 +2T 環境 ,0)
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E AB (T 1 ,0)+ E AB (T 環境 ,0) = E AB (T 1 +T 環境 ,0)
 
三 結語
熱工測量及儀表是一門實踐性非常強的課程,學生學習比較困難,將案例式教學法引入課程,知識點都以實際工程背景進行分析與討論,教學效果顯著提高。
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