建筑环境测试技术综合设计性实验设计的探索——以典型接触式测温元件设计与校验为例

侯娜娜 李树谦 李 浩 陈金良 高俊明

①河北水利电力学院土木工程学院

②河北省数据中心相变热管理技术创新中心

③沧州市储热及低品位余热利用型电磁供热技术创新中心

综合设计性实验是应用型本科院校培养复合型人才的重要实践内容，其对于增强学生独立思考和自主创新的意识具有现实意义。笔者针对如何基于专业基础课程进行综合设计性实验的设计进行了阐述，初步探索了综合设计性实验设计的实现路径，为建筑环境与能源应用工程专业相关课程综合设计性实验的开展提供借鉴。

在国家政策引导及市场需求的共同驱动下，5G、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、大数据中心、人工智能、工业互联网等“新基建”领域得以快速发展，而与之相对应的应用型、技术型、创新型人才却出现了短缺。高校作为应用型、技术技能型人才培养的主阵地，其担负的职责与使命关乎未来经济社会发展及国家安全命脉等重大问题。

针对如何培养面向未来的应用型、技术技能型人才，教育部在《关于引导部分地方普通本科高校向应用型转变的指导意见》、《现代产业学院建设指南（试行）》及《“十四五”时期教育强国推进工程实施方案》提出要创新应用型技术技能型人才培养模式，提高学生的实践能力，加强实验、实训、实习等实践环节，并结合世界科技前沿及国家重大需求，布局建设一批国家产教融合创新平台，突出培养专业能力和实践应用能力，通过产教融合、科教融合，培养互补、互利、互动、多赢的实体性人才[1]。由此可见，实践教学是高等教育的核心，对于应用技术类转型发展试点的地方应用型本科院校而言尤其如此。探索适用于地方应用型本科院校实践教学深度改革途径是增强学生创新实践能力培养的关键问题。

建筑环境测试技术是建筑环境与能源应用工程专业的一门专业基础课程，它所涉及的测量技术、实验技术及数据处理技术等知识在暖通空调、建筑给水排水、燃气供应及建筑环境评价等工程实际和科学研究中占有重要地位[2-3]。对于新升本科地方应用型本科院校来说，目前其课程内实验以演示性及验证性居多，而激发学生独立思考和探索兴趣且有利于培养学生实践能力和创新意识的综合设计性实验严重不足[4]。如何进行课内综合设计性实验的设计成为了新升本科地方应用型院校目前所面临的问题，以典型接触式测温元件的设计与校验为例，对建筑环境测试技术综合设计性课内实验设计进行阐述。

1 实验目的

（1）熟悉和掌握接触式测温元件测温的工作原理及测温方法。

（2）掌握接触式测温元件的制作或选择方法。

（3）掌握接触式测温元件的校验方法。

（4）培养应用理论知识设计适用于不同工作场景的温度测量元件的能力。

（5）培养分析和解决工程实际问题的能力。

2 实验原理

测温元件与被测对象直接接触，经过足够长时间的充分换热达到热平衡，测温元件的某一物理参数的量值即代表了被测对象的温度值。

3 实验要求和设计指标

3.1 实验要求

（1）掌握典型接触式测温元件的设计及选取方法，制定具有可操作性的实验设计方案。

（2）根据所学理论知识绘出测温的工作原理图。

（3）热电偶制作时其焊接点除了要牢固外，其表面要光滑圆润有光泽、无气孔等缺陷。焊接点的尺寸一般为热电偶丝直径的2～3倍，且需满足OD-5012中电极裸露距离、最外绝缘层距热端测点距离等相关外观尺寸要求[5]。

（4）掌握热电偶制作、热电阻选取及二者的校验操作方法并认真做好实验原始数据的记录[6]。

（5）制作完成的产品通过校验后能实现实际测温功能。

3.2 设计指标

（1）设计一种可以进行温度测量的元件并完成校验。

（2）接触式测温元件的应用场景为：测量工业锅炉高温烟气温度（0～200℃）、供暖换热站二次网供回水温度（0～100℃）、大功率LED发热元件温度（0～150℃）。

（3）根据所学理论知识及不同工程应用场景选取相应的热电阻测温元件或根据国家分类标准选用不同材料制作热电偶测温元件。自行设计热电偶或热电阻测量结果所需符合的精度等级要求（1/2/3级或A/B级），根据选定的精度等级再次确定测定温度的有效范围。

（4）根据所设计的精度等级核验所选热电偶或热电阻类型是否满足GB/T16839.1-2018或JB/T 10500-2019中相应的允差值。

4 实验（设计）仪器设备和材料清单

4.1 校验设备

（1）热电偶校验装置：由保温管式电炉和电子控温箱组成。

（2）热电阻校验装置：由冰点槽、水沸点槽及电测仪表箱（测温线、温控仪）构成。

4.2 接触式测温元件设计及选取的主要设备

（1）T型、K型、J型热电偶极线（外皮分别为铁佛龙和玻璃纤维两种材质）。

（2）热电偶点焊仪。

（3）铂热电阻、铜热电阻。

5 实验设备操作方法及注意事项

5.1 热电偶点焊仪

a、操作方法。

（1）焊接前，应检查保证热电偶的电极表面的清洁度和平滑度。清洗热电偶测量端表面，除去热电偶极线表面污垢、有机物和部分氧化物，必要时需进行退火，以消除热电极中的应力，改善金相组织和提高稳定性。

（2）点焊器插头接通220V交流电源，面板上绿色指示灯亮起，此时可以进行充电操作。随后接通充电开关，红色指示灯亮起，观察点焊器面板电压表，根据热电偶丝直径的粗细，及时关断充电开关，红色指示灯灭，用于焊接的充电电压一般在100V-200V左右。

（3）将经过处理好的两根热电偶金属丝铰接在一起，绞缠圈数不宜超过2-3圈。将其夹在点焊器鳄鱼夹手柄上，并确认夹持牢固。焊接前轻按2-3次轻触开关，当听到接触器吸合发出的“卡、卡”声后将点焊器的另一个手柄上的碳棒与待焊热电偶丝头部接触，按下手柄上的放电按钮，热电偶丝将焊接在一起。如一次未完成焊接，可再次充电，重复焊接直到达到要求为止。

b、注意事项。

每焊接一支热电偶，都要重新进行充电的操作，焊接完毕后，就不要再进行充电，以防点焊器储存的电能击伤人。

5.2 热电偶校验装置

a、操作方法。

（1）将校验装置与电源插座相连接。

（2）将均热体放在管炉炉膛中心位置，标准热电偶与被检热电偶插入均热体，并分别将连线与仪表箱上的连线端子对应连接。

（3）按下加热开关，指示灯亮，旋动旋钮，同时观察电压指示并将其旋转到45V左右。根据实验设定的温度进行反复调节，直至基本稳定在需要的温度范围内，当炉温在5min 内变化不大于±1℃时即可进行读数。

b、注意事项。

在温度基本稳定情况下，炉温变化不超过1℃时每支热电偶的读数不应少于二次。

5.3 热电阻校验装置

a、操作方法。

（1）将实验样品插头插入校验装置中，实验样品是四线连接方式，连接时相同颜色插于红线同一电阻标识插孔中，正确插线后开启电源，调节输出电流为1mA,此时电阻R1和R2是串联关系，拔动电压表分别测出电阻R1和R2上的电压，进而监测电阻大小，此时电流由三位半电流表显示。

（2）将实验样品放入恒温室中，恒温室与加热温度控制仪相连接，测温线与温控仪上航空插座相连，此时显示环境温度。

（3）随后连接与恒温室相应的加热插孔，调节设定室温以上温度，一般取20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃，实测温度会略低，可适当调高一些，使实测温度为上述数值，便于计算。校验时需在上述温度点停留至少15分钟，测量恒定电流下对应电阻的电压，得到在一定温度时的电阻值。另外，为了利于传热均匀，可将恒温室中加入导热酯或导热油。

b、注意事项。

（1）测量时分别记录两次实验数据，其中一次为温度由低到高，另一次为温度由高到低，最终数据取两次平均值。

（2）在记录温度由低到高电压及电流数据时，在温度达到设定值，且被测热电阻温度计的示值趋于稳定在半小时不再有温度上升或下降趋势后，将读取数据3～5次的平均值作为记录数据。

（3）在记录温度由高到低电压及电流数据时，应先使需校验的热电阻冷却，然后将其放入冰点槽的试管中，按动温度检测按钮观察冰点槽温度，在冰点槽的温度无波动时，将读取数据3～5次的平均值作为记录数据。

6 校验及分析方法

6.1 热电偶校验及分析方法

（1）校验原理为将标准热电偶与被检热电偶进行比较。

（2）热电偶在正式校验前应先进行外观检查，观察焊接点是否牢固，贵重金属电极是否有严重的色斑或发黑现象，廉金属热电极是否有严重的腐蚀或脆弱现象。

（3）为了减少校验工作量，本次实验所用校验装置推荐校验温度点在600℃下进行，且至少采集3个校验温度点。

（4）热电偶的读数在每一个校验点上不得少于四次，取其平均值作为最终数据进行记录。最后取标准热电偶的平均温度与被检热电偶的平均温度的差值，比较其是否在规定允许偏差值范围内，进而判断其是否合格。标准热电偶的平均温度与被检热电偶的平均温度的差值用以下公式进行计算：

6.2 热电阻校验及分析方法

根据校验过程中得到的接标准热电阻和被校热电阻所对应的直流电压表的示值U和直流电流表的示值I，可以计算出标准热电阻和被校热电阻的阻值R，其计算式如下：

7 教学组织与实施过程

为保证教学内容的顺利开展，综合设计性实验采用以下教学流程，即：①教师讲授基本理论知识；②学生分组进行课下组内讨论、自行设计实验方案；③教师组织学生课上研讨，对实验原理、实验方案进行论证，确定实验方案；④学生进行实验操作；⑤整理实验结果；⑥撰写实验报告。

8 结束语

综合设计性实验相较于演示性、验证性实验更需要学生发挥自主创新、探索学习的精神。综合设计性实验的开展需要达到锻炼学生自主查阅资料、获取有效信息能力的目标，能够使学生根据实验原理与实验设计指标选取实验仪器并设计出合理实验方案，较好地完成实验操作与数据分析并在出现误差较大时进行原因分析。可以预见的是，综合设计性实验更加注重学生的思维能力与实践能力的培养，对传统高校理论教学较完备、实践教学弱化的现状有所改善，通过利用学科专业优势为新升本科地方高校的应用型转型发展增添助力。