概 述：
針對(duì)高校缺乏系統(tǒng)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、在校研究生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)困難、實(shí)驗(yàn)方法不合理等現(xiàn)象，在K型熱電偶工程測(cè)試技術(shù)課程中增設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊，旨在提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生科研實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。以發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋火力面溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)為例，從系統(tǒng)搭建、設(shè)備標(biāo)定、測(cè)點(diǎn)布置、臺(tái)架實(shí)驗(yàn)到誤差分析、數(shù)據(jù)處理開展系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)踐結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋測(cè)溫實(shí)驗(yàn)教學(xué)較好地幫助了學(xué)生對(duì)溫度測(cè)試過程的理解和掌握，并且提升了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)踐能力，為后續(xù)研究生階段的科研工作打下堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
研究生作為現(xiàn)代化社會(huì)科技進(jìn)步發(fā)展的主力軍，其實(shí)踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)越來越受到重視。社會(huì)對(duì)在校研究生的高要求也促使高校在實(shí)踐教學(xué)方面進(jìn)行更深層次的探索。其中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為一種具有實(shí)踐應(yīng)用表征和理論知識(shí)內(nèi)核的教學(xué)方式，可以促進(jìn)研究生的實(shí)踐能力培養(yǎng)和動(dòng)手實(shí)操能力提升。大量的事實(shí)證明，研究生實(shí)驗(yàn)技能的高低，決定了其科技創(chuàng)新水平的高低。
K型熱電偶工程測(cè)試技術(shù)作為一門多學(xué)科交叉的綜合技術(shù)，深度融合了傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及控制技術(shù)等，具有極強(qiáng)的實(shí)操性。在傳統(tǒng)的重理論，輕實(shí)踐的教育模式下，該課程僅對(duì)學(xué)生進(jìn)行理論教學(xué)，著重于原理以及方法的傳授，缺少實(shí)驗(yàn)教學(xué)，忽略了學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力培養(yǎng)。為加強(qiáng)研究生的實(shí)踐能力培養(yǎng)，特于2015年在本校為該課程設(shè)置實(shí)驗(yàn)課程，通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考、解決問題的能力。
對(duì)于K型熱電偶工程專業(yè)的研究生，在研究生科研過程中獨(dú)立開展實(shí)驗(yàn)研究是必不可少的手段和內(nèi)容。而溫度的測(cè)量作為測(cè)試技術(shù)中非常重要的一部分，也在科研中占據(jù)著舉足輕重的位置。本課程以最為常見的動(dòng)力機(jī)械—發(fā)動(dòng)機(jī)中的缸蓋火力面測(cè)溫為例展開溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)。從測(cè)試臺(tái)架搭建、傳感器選擇、測(cè)點(diǎn)布置、數(shù)據(jù)采集到后處理與誤差分析，著力于培養(yǎng)研究生的系統(tǒng)性思維，幫助學(xué)生吸收并消化溫度測(cè)量的整體流程，有助于學(xué)生對(duì)溫度測(cè)量有更為深刻的認(rèn)識(shí)，在后續(xù)的研究生階段可以具備更為全面的實(shí)驗(yàn)技能與實(shí)踐能力。
1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
在缸蓋火力面測(cè)溫實(shí)驗(yàn)過程中，采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1所示，包括熱電偶、熱電偶模塊、數(shù)據(jù)采集控制器等。通過對(duì)各模塊的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，可以加深學(xué)生對(duì)課堂理論知識(shí)的理解與消化，并且對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)性思維進(jìn)行訓(xùn)練。
1.1 熱電偶
用于缸蓋火力面測(cè)溫的熱電偶應(yīng)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(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的布置，熱電偶的長(zhǎng)度應(yīng)達(dá)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(nèi)置信號(hào)放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、熱電偶分度表、冷端補(bǔ)償模塊等。要求被測(cè)溫度在300 ℃以下時(shí)，熱電偶模塊的增益誤差、偏置誤差、冷端補(bǔ)償誤差等所有誤差之和不得超過1.5 ℃；被測(cè)溫度在300～400 ℃以下時(shí)所有誤差之和不得超過2.5 ℃。
1.3 數(shù)據(jù)采集控制器
負(fù)責(zé)控制定時(shí)、同步以及外部/集成上位機(jī)與I/O模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用NI cDAC-9178型控制器。
2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備標(biāo)定
標(biāo)定工作是實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備階段必不可少的一環(huán)，在傳統(tǒng)的理論教學(xué)過程中，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的標(biāo)定并未具體闡述，導(dǎo)致部分學(xué)生無法理解標(biāo)定的真正含義與流程，在后續(xù)的研究生科研實(shí)驗(yàn)階段沒有標(biāo)定意識(shí)，大大阻礙了工科研究生科研的順利開展。因此，在本實(shí)踐教學(xué)中對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)備標(biāo)定技能進(jìn)行了系統(tǒng)訓(xùn)練。
在實(shí)驗(yàn)過程中，采用系統(tǒng)標(biāo)定的方法進(jìn)行熱電偶標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，標(biāo)定過程如下。
(1)按圖2連接好標(biāo)定設(shè)備。
(2)將標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)與熱電偶置于恒溫油槽中，標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)不應(yīng)碰到恒溫油槽壁面及熱電偶，且盡量放置在靠近熱電偶測(cè)量端的位置。
(3)調(diào)節(jié)油槽溫度。按梯度從標(biāo)定起始溫度至標(biāo)定終了溫度調(diào)節(jié)恒溫油槽溫度，并選取對(duì)應(yīng)量程的標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)。標(biāo)定范圍應(yīng)大于測(cè)溫范圍。
(4)待溫度穩(wěn)定、水銀溫度計(jì)示數(shù)不再變化時(shí)，分別讀取并記錄標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)的示數(shù)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示數(shù)。
(5)重復(fù)第3、第4步驟。
(6)得到所有標(biāo)定點(diǎn)的真實(shí)溫度—指示溫度數(shù)據(jù)后，以真實(shí)溫度為橫坐標(biāo)，指示溫度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)定熱電偶的真實(shí)溫度—指示溫度關(guān)系圖。
(7)將標(biāo)定數(shù)據(jù)的散點(diǎn)進(jìn)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(shù)和截距的修正值，用于缸蓋火力面測(cè)試中測(cè)得溫度的修正。
3 缸蓋測(cè)溫試件
在溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，信號(hào)的質(zhì)量除了受到測(cè)量系統(tǒng)精度的影響外，還會(huì)受到測(cè)點(diǎn)位置的影響。因此正確的測(cè)點(diǎn)布置對(duì)溫度測(cè)量的精度起著至關(guān)重要的作用。在測(cè)試技術(shù)課程的理論教學(xué)中，主要側(cè)重對(duì)溫度傳感器的使用介紹，傳感器位置的布置需要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中對(duì)學(xué)生加以訓(xùn)練。由于不同的測(cè)溫對(duì)象的測(cè)點(diǎn)位置各不相同，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，需要注重培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力，使其針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)對(duì)象時(shí)，能根據(jù)對(duì)象特點(diǎn)合理地布置溫度傳感器測(cè)點(diǎn)。
3.1 火力面溫度測(cè)點(diǎn)布置
溫度測(cè)點(diǎn)的布置需要根據(jù)缸蓋可能的溫度分布、重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域、缸蓋實(shí)際的結(jié)構(gòu)等因素確定。缸蓋火力面上的溫度分布通常有以下規(guī)律：氣缸蓋排氣門附近的溫度較高、進(jìn)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(duì)于四氣門缸蓋，排氣門鼻梁區(qū)的溫度最高，進(jìn)氣門鼻梁區(qū)的溫度較低。以上區(qū)域因溫度較高或溫度梯度較大，也是考察的重點(diǎn)區(qū)域。因此考慮在進(jìn)排氣門鼻梁區(qū)布置溫度測(cè)點(diǎn)。若實(shí)機(jī)鼻梁區(qū)不適宜打孔(二氣門柴油機(jī)較多)，則可將測(cè)點(diǎn)布置在其他位置。
基于以上原則，在缸蓋火力面測(cè)溫實(shí)驗(yàn)中，對(duì)火力面的測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。以某小組熱電偶布點(diǎn)為例，如圖4所示，邊缸和中間缸的火力面各布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)共計(jì)14個(gè)測(cè)點(diǎn)。
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(cè)面打入的、與其垂直的孔貫通(如圖5所示)；圓柱形悶頭結(jié)構(gòu)如圖6所示。悶頭孔和悶頭的尺寸按照柴油機(jī)實(shí)際底板結(jié)構(gòu)、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(tái)架實(shí)驗(yàn)
4.1 實(shí)驗(yàn)流程
完成上述實(shí)驗(yàn)的前期準(zhǔn)備工作后，組織學(xué)生正式開始進(jìn)行缸蓋火力面測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)過程如下。
(1)傳感器安裝及發(fā)動(dòng)機(jī)裝配。在缸蓋上安裝好所有溫度測(cè)點(diǎn)上的熱電偶，并按柴油機(jī)裝配要求將安裝好熱電偶的缸蓋安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，缸蓋螺栓按要求的扭矩?cái)Q緊，再將發(fā)動(dòng)機(jī)置于發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)架，并調(diào)整到合適的水平位置，每個(gè)缸蓋上放置石棉布，防止感應(yīng)線圈短路，操作控制面板的下降按鈕，調(diào)節(jié)線圈位置至緊貼缸蓋即可。
(2)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)搭建。按要求對(duì)熱電偶、熱電偶模塊、數(shù)據(jù)采集控制器、上位機(jī)進(jìn)行連線并調(diào)試。
(3)感應(yīng)加熱。啟動(dòng)水泵，將冷卻水流量調(diào)至目標(biāo)值，打開控制柜電源，啟動(dòng)感應(yīng)加熱設(shè)備，將缸蓋溫度調(diào)至目標(biāo)值，并運(yùn)行10 min。
(4)工況穩(wěn)定性判定。
(5)數(shù)據(jù)采集及記錄。發(fā)動(dòng)機(jī)工況穩(wěn)定，打開數(shù)據(jù)
采集系統(tǒng)，采集缸蓋火力面溫度數(shù)據(jù)并記錄。
(6)實(shí)驗(yàn)完畢。記錄完畢后，停止發(fā)動(dòng)機(jī)。
(7)數(shù)據(jù)處理。
4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)工況穩(wěn)定性判定
本實(shí)驗(yàn)的目的在于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定工況下缸蓋測(cè)溫點(diǎn)上的溫度，因此需要判定發(fā)動(dòng)機(jī)是否達(dá)到穩(wěn)定工況。發(fā)動(dòng)機(jī)工況穩(wěn)定性是通過測(cè)量并判斷缸蓋測(cè)溫點(diǎn)上的溫度是否穩(wěn)定來判定的，判定方法如下。
在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，連續(xù)測(cè)量缸蓋測(cè)溫點(diǎn)上的溫度15次以上，得到一系列測(cè)量值，對(duì)上述數(shù)據(jù)計(jì)算平均值L、偏差vi、均方根誤差 和極限誤差Δlim。若@@@@@@@@@@@@@，則認(rèn)為缸蓋測(cè)溫點(diǎn)上的溫度波動(dòng)較大，尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。應(yīng)等感應(yīng)加熱再運(yùn)行一段時(shí)間后，再重復(fù)上述數(shù)據(jù)采集和判定工作，直至溫度穩(wěn)定。某小組的溫度數(shù)據(jù)采集過程如圖7所示。重復(fù)數(shù)據(jù)采集工作至溫度穩(wěn)定后，方可進(jìn)行下一步誤差分析與數(shù)據(jù)處理。
5 數(shù)據(jù)處理
在K型熱電偶工程測(cè)試技術(shù)中，測(cè)試誤差分析及數(shù)據(jù)處理是非常重要的教學(xué)內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)過程中，直接測(cè)量和間接測(cè)量均會(huì)由于測(cè)量?jī)x器、方法以及外界條件的影響，使得測(cè)量值與真實(shí)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(shí)以及正確科學(xué)地表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力。因此特在溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)中增設(shè)數(shù)據(jù)處理以及誤差分析環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在處理數(shù)據(jù)的過程中，更為透徹地吸收、消化誤差處理的方法，并為后續(xù)的科研實(shí)驗(yàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
5.1 有效數(shù)字處理
數(shù)據(jù)處理過程中保留3位有效數(shù)字，數(shù)據(jù)結(jié)果中呈現(xiàn)2位有效數(shù)字。
5.2 系統(tǒng)誤差估算及修正
測(cè)試中，系統(tǒng)誤差來源及處理方法見表1。
5.3 缸蓋火力面溫度分布結(jié)果
以某小組最終的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果為例，在不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，缸蓋火力面的溫度分布如圖8所示，溫度測(cè)試結(jié)果與實(shí)際相符。
6 結(jié)語
在K型熱電偶工程測(cè)試技術(shù)課程中增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，有利于提高在校研究生的實(shí)踐動(dòng)手能力。而在熱能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，溫度的測(cè)試是必不可少的內(nèi)容之一，同時(shí)也是K型熱電偶工程專業(yè)研究生科研階段必須要掌握的重要技能。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，以發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋火力面的溫度測(cè)試為教學(xué)案例，通過系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)溫度測(cè)量相關(guān)理論的理解，并提高了學(xué)生理論結(jié)合實(shí)際的能力。“授人以魚，不如授人以漁”，學(xué)生在溫度測(cè)試中掌握的實(shí)驗(yàn)方法可以遷移至其他測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，大大提升了在校研究生的實(shí)踐能力和應(yīng)用能力，既為后續(xù)的研究生階段科研實(shí)驗(yàn)打好基礎(chǔ)，也有助于社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。
