改进教学仪器设备与改善实验条件的探索

张 军 侯加林

山东农业大学机械与电子工程学院 山东泰安 271018

随着国家对教育的投入加大，高校现阶段新仪器、新设备不断引入实验室，实验条件与科研条件已经有了较大改善，引入高校的仪器设备在基本要求方面是可以满足需求的，但在一些具有较高要求的实验方面还有一定的差距。如何在此基础上进行升级改造，使其更加符合实验教学、科研工作的需求，是摆在从事实验教学教师面前的一大问题。诚然，改造、升级、革新设备需要投入非常大的精力、时间和心血，在目前教育投入不足的情况下，需要教师、实验人员有奉献精神，只有这样才能改善实验条件，使科研水平不断提高，锻炼能力，营造更加安全的实验教学环境。

1 改造设备的起因分析

我校购入的TH-DT型电工电子电力拖动实验装置，是早期实验设备，能够满足电路分析、电工技术基础、电工学、模拟电子技术基础、数字电子技术基础、电机控制、继电接触控制、电力拖动基础需求实验，是一台综合性实验装置。但由于是早期产品，因此仪器设备在安全保护方面存在一定缺陷，为了消除这些隐患，我们实验中心成立了改造课题组，重点研究漏电流对学生的伤害。电流通过人体时，人体内部组织将产生复杂的变化。人体可分为两种情况触电，其一是高电压和雷击触电，大电流通过人体产生热、化学、机械等效应，使人体受到严重的电灼伤、组织碳化坏死等永久性伤害；其二是低电压触电，人体在几十至几百毫安电流作用下，产生生理病理性反应，如有刺痛感、机体出现痉挛、血压升高、心律不齐、昏迷等暂时性功能失常，严重者会出现呼吸困难、心跳骤停等危及生命的伤害。图1所示为人体电流/mA-触电时间/ms示意图。

图1 人体触电实践和通过人体电流对人身肌体反应的曲线

由图1可以看出，人体触电反应分为四个区域：一区触电人体无反应；二区触电后人体有麻木感，没有生理性病理反应，对人体较轻伤害；三区触电后人体产生心律不齐、血压升高、强烈痉挛等症状，尚无器质性损伤；四区触电后，可发生心室纤维性颤动，严重的可致死亡。所以人们通常认为一二三区为“安全区”，三区与四区之间的曲线，称为“安全曲线”，但安全曲线内并不绝对安全，是因人而异的。安全电流(safety current)，即人体触电后最大的摆脱电流(let-go current)。实验资料表明，对于不同的人，摆脱电流也不相同：成年男性的均匀摆脱电流约为16 mA；成年女性约为10.5 mA。成年男性的最小摆脱电流约为9 mA；成年女性的最小摆脱电流约为6 mA(最小摆脱电流是按0.5%的概率考虑的)。

各国规定的安全电流值并不一样，我国规定30 mA(50 Hz)，触电时间不超过1秒(1000 mS)，因此安全电流值称为30 mA·S。由人体电流-触电时间图看出，当通过人体电流不超过30mA·S时，对人体损伤不严重，不致引起心室纤维性颤动和器质性损伤，通过人体的电流达到50 mA·S时，就有生命危险。当通过人体电流达到100mA·S时，将引起心室颤抖或窒息，造成死亡。因此，引起心室颤抖的电流即是致命电流(lethal current)。致命电流是指在较短时间内危及生命的最小电流。人体触电时安全与否，受以下因素影响：(1)触电时间，由图1可以看出，触电时间在0.2 S(即200 mS)以下和0.2 S以上，触电电流对人体的危害程度差别很大，触电电流超过0.2 S时，致颤电流(f ibrillating current)值急剧下降，危险性急剧增大。(2)电流的性质，实验资料表明，直流、交流和高频电流通过人体时的危害程度不一样，交流(工频电流50～60 Hz)对人体的危害程度最严重。(3)电流路径，电流流经人体造成伤害的程度，主要是对心脏的伤害，实验资料表明，不同路径的电流对心脏有不同的损害，电流从手流到脚，特别是从一只手流到另一只手对人的伤害最大。(4)健康和体重，健康的心脏和衰弱的心脏抵抗电流的损害是不一样的，包括人的心理状态、情绪好坏及体重等对抵抗电流的损害都有较大差别。

2 加装改造设备，消除设备安全隐患

以上分析表明，要解决触电问题，保证学生人身安全及实验设备的安全运行，需要进行设备改造。改造课题组经过研究决定，在原有设备上加装隔离变压器，并将隔离变压器增加输出电压的组数(220 V，134 V，96 V)，用于加装隔离电源漏电报警器等。一般的隔离变压器是一种1:1的变压器。不一定要1:1的变压，我们设计的是次级交流电压220 V，134 V，96 V等，它的初级电压与次级电压相同，而普通变压器交流电一根线与大地相连，另一根线与大地之间的电压是220伏的电位差，人接触会触电。隔离变压器次级不与大地相连，任意一根线与大地之间没有电位差，人接触任意一根线不会触电，所以比较安全，隔离变压器是安全变压器，属于安全电源，可同时起到保护、防雷、滤波等作用。隔离变压器的输出端跟输入端是完全“断路”隔离的，对变压器输入端(电网供给的电源电压)起到了良好的过滤作用，给实验设备提供了纯净的电源电压。隔离变压器是指输入绕组与输出绕组在电气上彼此隔离的变压器，使一次侧与二次侧的电气完全绝缘，也使该回路隔离。用以避免学生偶然同时触及电源(或因绝缘损坏而可能带电的金属部件)与实验台所带来的危险，原理与普通干式变压器相同，利用电磁感应原理，主要隔离一次电源回路，二次回路对地浮空，隔离危险电压，以保证学生用电安全。另外，利用其铁芯高频损耗大的特点，从而抑制高频杂波传入控制回路，净化了电源(如图2所示)。

图2

实验台改造完成后，应用于全部电工实验、电路实验，极大地提高了学生电工实验与电路实验教学的安全性，在技术上保护了学生的生命安全，减轻了实验教师的心理和教学负担，尤其是在以下实验中正弦稳态交流向量的研究、单项铁芯变压器特性的测试、三相交流电路电压、电流的测量、功率因数及相序的测量、三相鼠笼式异步电动机、三相鼠笼式异步电动机正反转控制实验。改装后的实验台，安全性能显著提高，每学期17～18个教学班，每年36～37个教学班的实验学生得到保护。

经过改造后的教学设备在国内部分高校使用，设计改造、加装隔离变压器的思路和想法，是出于一切为了学生安全的考虑。基于此，我们反复查找资料，利用寒暑假时间长、无杂事干扰的机会，经反复实验、调整、测试，克服了一个个技术壁垒，使设计达到了技术要求。主要的技术指标和性能参数为：额定容量是0.5 KVA，检测仪表用电压是AC134 V，AC96 V，耐压强度是AC2000 V(limit)，初级交流电压是AC220 V，次级交流电压是AC220-134-96 V，绝缘等级是F级，实验用电压是AC220 V，短路电流是AC0.01 mA(此短路电流远远小于我国规定的30 mA，安全性能较高)。

改造后的仪器设备达到了设计要求，将对学生危害极大的380 V，220 V交流电改造为对学生人体无伤害的安全电源，即使学生将380 V或220 V交流电的一根火线拿在手里也没有任何伤害，并且在此基础上增加了漏电保护、报警功能，一旦学生将火线与实验台金属部件接触即可报警并断电保护，这样既保护了学生的人身安全又保护了设备安全。保护动作灵敏、迅速。以此类推，在用于其他设备时可根据不同设备情况，设计出不同的外形尺寸，便于安装、调试。

在节约经费方面，本次设备改造使用在电工、电路实验设备上，主要解决了学生的实验安全问题，社会经济效益也非常明显，如果购置成品，每套需要人民币7000～8000元，而我们自制每套约为1500元左右，现有设备15套，总计节约经费100000元左右。其应用前景非常广泛，可推广至其他设备上，对学校安全教学水平有较大的提高，在促进以人为本，安全第一，和谐校园建设上，更具现实意义和长远意义。

3 结束语

机电学院一贯重视实验室建设和实验教学，最大限度地支持实验室的仪器设备研制、升级与改造，创造了非常宽松的环境，本次设备改造吸收了五位学生参与，通过提出问题、研究方案、按步实施等过程，培养了学生求真务实的科学态度，孜孜不倦的探索精神、团队合作的道德情操，对于学生工程技术意识及健康的身心素质培养起到了积极作用，探索了复合型高级工程技术人才培养的新途径。我院结合自身优势，加强实验室建设和管理，对实践教学提出了更高要求，对实验教学的地位和作用给予了充分肯定，尤其是对实验设备研制、升级、改造更是给予了足够的重视。

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