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装配式热电偶案例式教学在热工测量及仪表中的实践中合理运用

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概 述:

学生缺乏实际工程经验,对热工测量及仪表实践性非常高的课程学习比较困难,同时该课程是能动专业一门非常重要的课程。本文将案例式教学引入热工测量及仪表教学中,以热电偶三大定律的讨论为例,设计了案例式教学的过程,学生学习效果显著提高。

热工测量及仪表是能源与动力工程专业一门重要的专业核心课程。正确和快速测量相应参数是热工设备实现自动化和智能化的前提条件。主要涉及温度、压力、流量和液位、位移、振动、气体成分等物理参数的测量,同时也包括相应的专业概念,误差处理和数据正确表达。内容比较分散,涉及的课程内容比较多,如流体力学、传热学、电工学等等,实践性非常强的一门课程,对于实践经验较少的学生来说,学习起来困难比较大。如果采取传统的常识点讲授,学生掌握的内容非常有限。案例式教学就是将工程实际案例引入课堂,结合涉及到的具体常识点与学生深入分析与讨论。避免比较泛泛而谈的灌输式教学过程,这样可以让学生更直观地理解和掌握所学的常识。
本文以热工测量及仪表课程中最重要且较难的内容为例讲授如何设计案例式教学过程——热电偶测温三大基本定律是热电偶应用于实际中所遵循的基本原理。包括均质导体定律、中间导体定律和中间温度。
一 三大基本定律
(一) 均质导体定律
由一种均质导体组成的闭合回路中,不论其截面和长度如何以及沿长度方向上各处的温度分布如何,该回路中的总热电势等于零。
1. 热电偶必须由两种不同性质的材料构成;
2. 由一种材料组成的闭合回路存在温差时,回路如产生热电动势,便说明该材料是不均匀的。应该检查热电极材料的均匀性。
这条规律还要求热电偶的两种材料必须各自都是均质的,否则会由于沿热电偶长度方向存在温度梯度而产生附加电势,从而因热电偶材料的不均匀性引入误差。
(二) 中间导体定律
由不同材料组成的闭合回路中,若各种材料接触点的温度都相同,则回路中热电势的总和等于零。在热电偶回路中接入第三种导体,只要第三种导体两端温度相同,该导体的引入对热电偶回路的总电势没有影响。
同理,热电偶回路中接入多种导体后,只要保证接入的每种导体的两端温度相同,则对热电偶的热电势没有影响。
如果两导体 A、B 对另一种参考导体 C 的热动势为已知,则这两种导体组成热电偶的热电动势是它们对参考导体热电动势的代数和。
该定律表明热电偶回路中可接入各种仪表或连接导线。只要仪表或导线处于稳定的环境温度,原热电偶回路的热电势将不受接入仪表或导线的影响。该定律还表明热电偶的接点不仅可以焊接而成,也可以借助均质等温的导体加以连接。
(三) 中间温度定律
热电偶回路中,两接点温度分别为 T、T 0 时的热电势,等于接点温度为 T、T N 和 T N 、T 0 的两支同性质热电偶的热电势的代数和。
E AB (T,T 0 )=E AB (T,T N )+E AB (T N ,T 0 )该定律说明当热电偶参比端温度 t 0 ≠ 0℃时,只要能测得热电势 E(t,t 0 ),且 t 0 已知,仍可以采用热电偶分度表求得被测温度 t 值。
在热电偶回路中,如果热电偶的电极材料 A 和B 分别与连接导体 A’和 B’相连接,各有关接点温度为 t,tn 和 t 0 ,那么回路的总热电势等于热电偶两端处于 t 和 tn 温度条件下的热电势 E AB (t,tn) 与连接导线 A’和 B’两端处于 tn 和 t 0 温度条件下的热电势 EA’B’(tn,t 0 ) 的代数和。
E ABB’A’ (t,tn,t 0 )= E AB (t,tn)+ E A’B’ (tn,t 0 )
这是应用补偿导线的基础。
如果就是简单地在课堂上讲述这些常识点,学生缺乏相应的实践工程背景,基本上不可能接受。
二 案例式教学设计
(一) 用热电偶测量金属壁面温度有两种方案,如图1 所示,当热电偶具有相同的参考端温度 t 0 时,问(1)在壁温相等的两种情况下,仪表的示值是否一样?为什么?(2)如果金属壁面材质分布不均匀,温度处处相等,仪表的示值是否一样?为什么?(3)如果金属壁面材质分布均匀,温度不相等,仪表的示值是否一样?为什么?这样可以一步步引导学生考虑到中间导体和中间定律在工程实际中的应用。
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二) 电子电位差计校验
关键点:用手动电位差计代替热电偶输入电势信号。 手动电位差计和热电偶输出都为电势信号。
手动电位差计端输入 E AB (T1,0) 的电势信号(毫伏值),被检电子电位差计理论温度显示值?
可以引导学生,基于中间导体定律和中间温度定律得出图 2,图 3 和图 4 中的热电动势分别为:
E AB (T 1 ,0)+E AB (0,T 环 境 ) +E AB (T 环 境 ,0)=E AB (T 1 ,0)
E AB (T 1 ,0)+ E AB (T 环 境 ,0)+E AB (T 环 境 ,0)=E AB (T 1 +2T 环境 ,0)
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E AB (T 1 ,0)+ E AB (T 环境 ,0) = E AB (T 1 +T 环境 ,0)
三 结语
热工测量及仪表是一门实践性非常强的课程,学生学习比较困难,将案例式教学法引入课程,常识点都以实际工程背景进行分析与讨论,教学效果显著提高。


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