在K型熱電偶工程測試課程中開展缸蓋測溫實驗教學

    摘 要：針對高校缺乏系統的專業實驗教學、在校研究生實驗設計困難、實驗方法不合理等現象，在K型熱電偶工程測試技術課程中增設實驗教學模塊，旨在提高學生動手實踐能力，培養學生科研實驗素養。以發動機缸蓋火力面溫度測試實驗為例，從系統搭建、設備標定、測點布置、臺架實驗到誤差分析、數據處理開展系統性實驗教學。實踐結果表明，發動機缸蓋測溫實驗教學較好地幫助了學生對溫度測試過程的理解和掌握，并且提升了學生的實驗技能和實踐能力，為后續研究生階段的科研工作打下堅實的實驗基礎。

    研究生作為現代化社會科技進步發展的主力軍，其實踐應用能力的培養越來越受到重視。社會對在校研究生的高要求也促使高校在實踐教學方面進行更深層次的探索。其中，實驗教學作為一種具有實踐應用表征和理論知識內核的教學方式，可以促進研究生的實踐能力培養和動手實操能力提升。大量的事實證明，研究生實驗技能的高低，決定了其科技創新水平的高低。

    K型熱電偶工程測試技術作為一門多學科交叉的綜合技術，深度融合了傳感技術、信息處理技術、計算機技術以及控制技術等，具有極強的實操性。在傳統的重理論，輕實踐的教育模式下，該課程僅對學生進行理論教學，著重于原理以及方法的傳授，缺少實驗教學，忽略了學生的實際應用能力培養。為加強研究生的實踐能力培養，特于2015年在本校為該課程設置實驗課程，通過系統的實驗訓練，鍛煉學生獨立思考、解決問題的能力。

    對于K型熱電偶工程專業的研究生，在研究生科研過程中獨立開展實驗研究是必不可少的手段和內容。而溫度的測量作為測試技術中非常重要的一部分，也在科研中占據著舉足輕重的位置。本課程以最為常見的動力機械—發動機中的缸蓋火力面測溫為例展開溫度測試實驗教學。從測試臺架搭建、傳感器選擇、測點布置、數據采集到后處理與誤差分析，著力于培養研究生的系統性思維，幫助學生吸收并消化溫度測量的整體流程，有助于學生對溫度測量有更為深刻的認識，在后續的研究生階段可以具備更為全面的實驗技能與實踐能力。

    1 實驗設備
    在缸蓋火力面測溫實驗過程中，采用的實驗設備如圖1所示，包括熱電偶、熱電偶模塊、數據采集控制器等。通過對各模塊的系統學習，可以加深學生對課堂理論知識的理解與消化，并且對學生的實驗系統性思維進行訓練。

 

    1.1 熱電偶
    用于缸蓋火力面測溫的熱電偶應滿足如下要求：一是能夠在300 ℃以上的高溫下工作；二是線性度較好；三是為了便于熱電偶在發動機臺架的布置，熱電偶的長度應達到3 m。綜上所述可選擇K型熱電偶。

    1.2 熱電偶模塊
    熱電偶模塊為作為變送器，內置信號放大器、A/D轉換器、熱電偶分度表、冷端補償模塊等。要求被測溫度在300 ℃以下時，熱電偶模塊的增益誤差、偏置誤差、冷端補償誤差等所有誤差之和不得超過1.5 ℃；被測溫度在300～400 ℃以下時所有誤差之和不得超過2.5 ℃。

    1.3 數據采集控制器
    負責控制定時、同步以及外部/集成上位機與I/O模塊之間的數據傳輸。在實驗教學中采用NI cDAC-9178型控制器。

    2 實驗設備標定
    標定工作是實驗前期準備階段必不可少的一環，在傳統的理論教學過程中，對實驗設備的標定并未具體闡述，導致部分學生無法理解標定的真正含義與流程，在后續的研究生科研實驗階段沒有標定意識，大大阻礙了工科研究生科研的順利開展。因此，在本實踐教學中對學生的實驗設備標定技能進行了系統訓練。
    在實驗過程中，采用系統標定的方法進行熱電偶標定。標定時系統的結構簡圖如圖2所示，標定過程如下。

 

    (1)按圖2連接好標定設備。
    (2)將標準水銀溫度計與熱電偶置于恒溫油槽中，標準水銀溫度計不應碰到恒溫油槽壁面及熱電偶，且盡量放置在靠近熱電偶測量端的位置。
    (3)調節油槽溫度。按梯度從標定起始溫度至標定終了溫度調節恒溫油槽溫度，并選取對應量程的標準水銀溫度計。標定范圍應大于測溫范圍。
    (4)待溫度穩定、水銀溫度計示數不再變化時，分別讀取并記錄標準水銀溫度計的示數和數據采集系統示數。
    (5)重復第3、第4步驟。
    (6)得到所有標定點的真實溫度—指示溫度數據后，以真實溫度為橫坐標，指示溫度為縱坐標，繪制標定熱電偶的真實溫度—指示溫度關系圖。
    (7)將標定數據的散點進行線性擬合，擬合成的直線與y=x直線有一定偏差，通過修正其斜率和截距使其與y=x直線重合。
    (8)記錄各熱電偶斜率的修正系數和截距的修正值，用于缸蓋火力面測試中測得溫度的修正。

    3 缸蓋測溫試件
    在溫度測試實驗中，信號的質量除了受到測量系統精度的影響外，還會受到測點位置的影響。因此正確的測點布置對溫度測量的精度起著至關重要的作用。在測試技術課程的理論教學中，主要側重對溫度傳感器的使用介紹，傳感器位置的布置需要在實驗教學的過程中對學生加以訓練。由于不同的測溫對象的測點位置各不相同，在實驗教學的過程中，需要注重培養學生獨立思考的能力，使其針對不同的實驗對象時，能根據對象特點合理地布置溫度傳感器測點。

    3.1 火力面溫度測點布置
    溫度測點的布置需要根據缸蓋可能的溫度分布、重點關注的區域、缸蓋實際的結構等因素確定。缸蓋火力面上的溫度分布通常有以下規律：氣缸蓋排氣門附近的溫度較高、進氣門附近的溫度較低、 氣缸蓋溫度從火力面中心沿徑向遞減。對于四氣門缸蓋，排氣門鼻梁區的溫度最高，進氣門鼻梁區的溫度較低。以上區域因溫度較高或溫度梯度較大，也是考察的重點區域。因此考慮在進排氣門鼻梁區布置溫度測點。若實機鼻梁區不適宜打孔(二氣門柴油機較多)，則可將測點布置在其他位置。
    基于以上原則，在缸蓋火力面測溫實驗中，對火力面的測點布置如圖3所示。以某小組熱電偶布點為例，如圖4所示，邊缸和中間缸的火力面各布置7個測點共計14個測點。

 

    3.2 熱電偶的安裝
    熱電偶在缸蓋火力面的安裝方式采用圓柱形悶頭的方法，悶頭孔為一階梯孔，底部與從缸蓋側面打入的、與其垂直的孔貫通(如圖5所示)；圓柱形悶頭結構如圖6所示。悶頭孔和悶頭的尺寸按照柴油機實際底板結構、加工工藝等條件確定，在條件允許的情況下盡量提高加工精度。

 

    4 臺架實驗
    4.1 實驗流程
    完成上述實驗的前期準備工作后，組織學生正式開始進行缸蓋火力面測溫實驗，具體實驗過程如下。
    (1)傳感器安裝及發動機裝配。在缸蓋上安裝好所有溫度測點上的熱電偶，并按柴油機裝配要求將安裝好熱電偶的缸蓋安裝在發動機上，缸蓋螺栓按要求的扭矩擰緊，再將發動機置于發動機測試臺架，并調整到合適的水平位置，每個缸蓋上放置石棉布，防止感應線圈短路，操作控制面板的下降按鈕，調節線圈位置至緊貼缸蓋即可。
    (2)數據采集平臺搭建。按要求對熱電偶、熱電偶模塊、數據采集控制器、上位機進行連線并調試。
    (3)感應加熱。啟動水泵，將冷卻水流量調至目標值，打開控制柜電源，啟動感應加熱設備，將缸蓋溫度調至目標值，并運行10 min。
    (4)工況穩定性判定。
    (5)數據采集及記錄。發動機工況穩定，打開數據
采集系統，采集缸蓋火力面溫度數據并記錄。
    (6)實驗完畢。記錄完畢后，停止發動機。
    (7)數據處理。

    4.2 發動機工況穩定性判定
    本實驗的目的在于測量發動機在穩定工況下缸蓋測溫點上的溫度，因此需要判定發動機是否達到穩定工況。發動機工況穩定性是通過測量并判斷缸蓋測溫點上的溫度是否穩定來判定的，判定方法如下。
    在發動機運行時，連續測量缸蓋測溫點上的溫度15次以上，得到一系列測量值，對上述數據計算平均值L、偏差vi、均方根誤差 和極限誤差Δlim。若@@@@@@@@@@@@@，則認為缸蓋測溫點上的溫度波動較大，尚未達到穩定狀態。應等感應加熱再運行一段時間后，再重復上述數據采集和判定工作，直至溫度穩定。某小組的溫度數據采集過程如圖7所示。重復數據采集工作至溫度穩定后，方可進行下一步誤差分析與數據處理。

 

    5 數據處理
    在K型熱電偶工程測試技術中，測試誤差分析及數據處理是非常重要的教學內容。在實驗過程中，直接測量和間接測量均會由于測量儀器、方法以及外界條件的影響，使得測量值與真實值之間存在一定誤差。這就需要研究生具備誤差處理的意識以及正確科學地表達實驗結果的能力。因此特在溫度測試實驗中增設數據處理以及誤差分析環節，讓學生在處理數據的過程中，更為透徹地吸收、消化誤差處理的方法，并為后續的科研實驗打下堅實的基礎。

    5.1 有效數字處理
    數據處理過程中保留3位有效數字，數據結果中呈現2位有效數字。

    5.2 系統誤差估算及修正
    測試中，系統誤差來源及處理方法見表1。

 

    5.3 缸蓋火力面溫度分布結果
    以某小組最終的實驗數據處理結果為例，在不同發動機轉速下，缸蓋火力面的溫度分布如圖8所示，溫度測試結果與實際相符。

 

    6 結語
    在K型熱電偶工程測試技術課程中增加實驗教學內容，有利于提高在校研究生的實踐動手能力。而在熱能測試實驗中，溫度的測試是必不可少的內容之一，同時也是K型熱電偶工程專業研究生科研階段必須要掌握的重要技能。在實驗教學過程中，以發動機缸蓋火力面的溫度測試為教學案例，通過系統性的實驗幫助學生進一步加深對溫度測量相關理論的理解，并提高了學生理論結合實際的能力。“授人以魚，不如授人以漁”，學生在溫度測試中掌握的實驗方法可以遷移至其他測試實驗中，大大提升了在校研究生的實踐能力和應用能力，既為后續的研究生階段科研實驗打好基礎，也有助于社會競爭力強的應用型人才的培養。
 

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