基于热电偶模拟器的热电传感器实验教学探讨

曾兆权，龚立娇，吴延祥

（石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832000）

1 传统热电偶测温曲线绘制实验教学现状

“检测与转换技术”是自动检测技术和自动转换技术的总称，它是自动化、电气工程及其自动化、测控技术、机械设计与制造等专业的专业基础课程，主要内容包括电气工程实际中温度、压力、流量、流速等基本物理量的测试技术，计算机数据采集与控制技术，检测通信系统的基本特性、测量系统(传感器、变送器、显示记录器)的原理与构成等[1,2]。我校电气工程及其自动化课程体系中开设“检测与转换技术”课程，该课程包括8个实验项目，其中，热电偶测温曲线绘制实验是该课程的重要实验之一。

然而，经过近几年的该实验教学，我们发现原有的热电测温曲线绘制实验存在以下三个方面的问题，严重影响了实验教学的效果。

1.1 控温装置的灵敏度低，无法产生低于零度的温度用于测量

原有的热电偶实验控温装置是一个由加热器、风扇以及温度传感器组成的负反馈控制系统。当操作者设定目标温度后，加热器即开始加热，温度传感器检测到装置内温度高于设定值时启动风扇进行降温，直至装置温度低于设定值后再次启动加热器升温。因为这种控温系统没有制冷装置，所以无法产生低于零度的测量环境。另外，由于控温装置的传感器的灵敏度较低，系统经常会出现在一个温度值附近来回跳变的情况，进而影响热电偶所测量温度值的准确度。

1.2 热电偶冷端补偿精度低，实验测量温度准确度低

原有热电偶实验装置采用分立元件搭建的电桥和铜基热电阻来进行冷端补偿。由于电桥补偿法本身存在较大的补偿误差，且元器件都采用分立器件，存在较大的错配误差，故热电偶实验装置测量温度的准确度较低。

1.3 实验内容单一且时间较长，过程单调、枯燥，导致学生在实验过程中缺乏主动性和积极性

原有的热电偶测温实验采用的方式是学生设定一个目标温度，待控温装置达到稳定的目标温度值时，测量一个热电偶产生的电压值，以此类推，多次调节温度测量出多个电压值，进而绘制出电压—温度曲线。由于等待控温装置稳定时间较长且实验过程中操作步骤较少，多数学生都感到枯燥乏味，影响了学生参与实验的积极性。

在“新工科”建设培养创新能力强且适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才的背景下，提高教学质量，特别是提高实验教学质量显得尤为重要，实验教学改革势在必行[3-7]。为了克服上述传统热电偶测温实验的局限性，提高热电偶测温实验系统的准确度，改善学生枯燥乏味的实验体验，提高热电偶实验教学的教学质量，我们探索设计了一套基于热电偶模拟器和热电偶放大器的新型热电偶测温实验方案。

2 基于热电偶模拟器和热电偶放大器的实验教学改革内容

基于热电偶模拟器和热电偶放大器的实验设计内容分为三个部分:一是热电偶模拟器的使用；二是搭建基于热电偶放大器的测温电路；三是热电偶温度—电压曲线的绘制与误差分析。实验采取循序渐进、先易后难、逐步提升的教学方法，争取提高实验教学质量，加强学生对综合知识的理解与运用，锻炼学生的实验能力，提高学生解决问题的能力。

2.1 热电偶模拟器的使用

热电偶模拟器能够模拟K、E、J、T、R、B、S、N型热电偶的热电特性。当选定热电偶类型后，设定所模拟热电偶的热端（即测量端）温度，热电偶模拟器即能够模拟输出该类型热电偶在冷端为当前使用环境温度下所产生的热电压。以模拟K型热电偶为例，当前热电偶模拟器使用的环境温度为23℃，调节选择热端温度为100℃，则热电偶模拟器会输出一个冷端为23℃，热端为100℃的K型热电偶所产生的热电压。热电偶模拟器的优势是使用方便快捷，能够精准模拟多种类型热电偶，且能够产生热端温度为负值时热电偶产生的电压值，克服了原有实验装置控温误差大且无法产生负温度的局限。通过使用热电偶模拟器，学生不仅能够理论联系实际，在实验过程中对理论教学中所涉及的最基本的K型热电偶的测温范围和最佳线性区间有直观的认识，还能对其他多种类型热电偶如R型、J型热电偶的特性都有直观的了解。

2.2 搭建基于热电偶放大器的测温电路

为了改进热电偶测温实验装置，提高学生理论联系实践的能力，我们将热电偶放大器AD8495引入到热电偶测温实验中，让学生自己利用面包板，导线，AD8495模块以及电阻电容等元器件搭建基于热电偶放大器的测温电路，让学生动手探索实践，充分发挥学生的主观能动性。在实验的过程中，学生需要自主学习，通过查阅热电偶放大器AD8495的数据手册，设计适合特定类型热电偶的测温电路，然后通过插接、焊接等操作将电路在面包板上搭建出来进行调试。当学生在实验过程中遇到类似电路失调不工作，脱焊，电源电压选错等问题时，我们将引导学生找到问题的源头和解决方案，锻炼其解决问题的能力。由于实现测温电路可以有多种不同电路结构，因此本实验也具有一定的创新性。学生在做完一种电路结构后可以尝试搭建其他电路结构，并比较两种电路结构的异同，达到触类旁通的实验教学效果。热电偶测温实验示意图如图1。

图1 一种基于热电偶模拟器测温实验示意图

2.3 热电偶温度—电压曲线的绘制与误差分析

在实验过程中，学生记录下所设定的热电偶模拟器模拟热端温度值TH，以及与之相对应的热电偶放大器的输出电压值VO，然后按照AD8495数据表中电压—温度换算等式，即可将输出电压值VO换算为所测量的温度值THM，随即逐点完成VO-TH曲线的绘制。同时，通过查询标准热电偶分度表可以得到每个TH所对应的标准电压值VSTD，完成VSTD-TH曲线的绘制，通过计算THM与TH的差值以及比较VO-TH和VSTD-TH两条曲线的斜率差别即可得到测量值与标准值之间的误差。在实验报告中，我们将引入误差的原因作为分析题留给学生，以此锻炼其分析误差来源，举一反三的能力，更好地帮助学生深入理解热电偶测温的原理和过程，培养学生严谨认真的工程素质。

3 实验教学改革成效

由于热电偶模拟器能够模拟多种类型热电偶的特性，学生不仅直观地感受到了最基本的K型热电偶特性，例如测温上下限，高线性度温度范围等参数，而且对J型，R型等其它类型热电偶的相关特性也有了直观的感性认知。这是传统热电偶测温实验所不能达到的效果。另一方面，因为热电偶放大器已经广泛地应用在实际工程中，学生通过新型热电偶测温实验能够更好地贴近工程实际。在实验过程中，学生通过亲手设计搭建热电偶测温电路，能够了解影响热电偶测温精准度的相关电路知识，锻炼了阅读集成电路数据手册，选择元器件，搭建面包板电路等课程大纲所要求的基本技能。结合实验教学课堂情况及学生实验后的反馈，我们发现学生反应良好。

4 结束语

通过教学实践，学生对“检测与转换技术实验”中热电偶相关知识的掌握更加全面系统。此次实验教学改革有效激发了学生的学习兴趣，培养了学生严谨的科研作风，提高了学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。因此，通过实验教学改革，提高实验教学质量，发挥实验教学功能，培养学生的创新能力、动手能力，对更好服务于“新工科”建设将起到积极作用。