建筑環境測試技術綜合設計性實驗設計的探索
——以典型接觸式測溫元件設計與校驗為例

侯娜娜 李樹謙 李 浩 陳金良 高俊明

①河北水利電力學院土木工程學院

②河北省數據中心相變熱管理技術創新中心

③滄州市儲熱及低品位余熱利用型電磁供熱技術創新中心

綜合設計性實驗是應用型本科院校培養復合型人才的重要實踐內容，其對于增強學生獨立思考和自主創新的意識具有現實意義。筆者針對如何基于專業基礎課程進行綜合設計性實驗的設計進行了闡述，初步探索了綜合設計性實驗設計的實現路徑，為建筑環境與能源應用工程專業相關課程綜合設計性實驗的開展提供借鑒。

在國家政策引導及市場需求的共同驅動下，5G、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、大數據中心、人工智能、工業互聯網等“新基建”領域得以快速發展，而與之相對應的應用型、技術型、創新型人才卻出現了短缺。高校作為應用型、技術技能型人才培養的主陣地，其擔負的職責與使命關乎未來經濟社會發展及國家安全命脈等重大問題。

針對如何培養面向未來的應用型、技術技能型人才，教育部在《關于引導部分地方普通本科高校向應用型轉變的指導意見》、《現代產業學院建設指南（試行）》及《“十四五”時期教育強國推進工程實施方案》提出要創新應用型技術技能型人才培養模式，提高學生的實踐能力，加強實驗、實訓、實習等實踐環節，并結合世界科技前沿及國家重大需求，布局建設一批國家產教融合創新平臺，突出培養專業能力和實踐應用能力，通過產教融合、科教融合，培養互補、互利、互動、多贏的實體性人才[1]。由此可見，實踐教學是高等教育的核心，對于應用技術類轉型發展試點的地方應用型本科院校而言尤其如此。探索適用于地方應用型本科院校實踐教學深度改革途徑是增強學生創新實踐能力培養的關鍵問題。

建筑環境測試技術是建筑環境與能源應用工程專業的一門專業基礎課程，它所涉及的測量技術、實驗技術及數據處理技術等知識在暖通空調、建筑給水排水、燃氣供應及建筑環境評價等工程實際和科學研究中占有重要地位[2-3]。對于新升本科地方應用型本科院校來說，目前其課程內實驗以演示性及驗證性居多，而激發學生獨立思考和探索興趣且有利于培養學生實踐能力和創新意識的綜合設計性實驗嚴重不足[4]。如何進行課內綜合設計性實驗的設計成為了新升本科地方應用型院校目前所面臨的問題，以典型接觸式測溫元件的設計與校驗為例，對建筑環境測試技術綜合設計性課內實驗設計進行闡述。

1 實驗目的

（1）熟悉和掌握接觸式測溫元件測溫的工作原理及測溫方法。

（2）掌握接觸式測溫元件的制作或選擇方法。

（3）掌握接觸式測溫元件的校驗方法。

（4）培養應用理論知識設計適用于不同工作場景的溫度測量元件的能力。

（5）培養分析和解決工程實際問題的能力。

2 實驗原理

測溫元件與被測對象直接接觸，經過足夠長時間的充分換熱達到熱平衡，測溫元件的某一物理參數的量值即代表了被測對象的溫度值。

3 實驗要求和設計指標

3.1 實驗要求

（1）掌握典型接觸式測溫元件的設計及選取方法，制定具有可操作性的實驗設計方案。

（2）根據所學理論知識繪出測溫的工作原理圖。

（3）熱電偶制作時其焊接點除了要牢固外，其表面要光滑圓潤有光澤、無氣孔等缺陷。焊接點的尺寸一般為熱電偶絲直徑的2～3倍，且需滿足OD-5012中電極裸露距離、最外絕緣層距熱端測點距離等相關外觀尺寸要求[5]。

（4）掌握熱電偶制作、熱電阻選取及二者的校驗操作方法并認真做好實驗原始數據的記錄[6]。

（5）制作完成的產品通過校驗后能實現實際測溫功能。

3.2 設計指標

（1）設計一種可以進行溫度測量的元件并完成校驗。

（2）接觸式測溫元件的應用場景為：測量工業鍋爐高溫煙氣溫度（0～200℃）、供暖換熱站二次網供回水溫度（0～100℃）、大功率LED發熱元件溫度（0～150℃）。

（3）根據所學理論知識及不同工程應用場景選取相應的熱電阻測溫元件或根據國家分類標準選用不同材料制作熱電偶測溫元件。自行設計熱電偶或熱電阻測量結果所需符合的精度等級要求（1/2/3級或A/B級），根據選定的精度等級再次確定測定溫度的有效范圍。

（4）根據所設計的精度等級核驗所選熱電偶或熱電阻類型是否滿足GB/T16839.1-2018或JB/T 10500-2019中相應的允差值。

4 實驗（設計）儀器設備和材料清單

4.1 校驗設備

（1）熱電偶校驗裝置：由保溫管式電爐和電子控溫箱組成。

（2）熱電阻校驗裝置：由冰點槽、水沸點槽及電測儀表箱（測溫線、溫控儀）構成。

4.2 接觸式測溫元件設計及選取的主要設備

（1）T型、K型、J型熱電偶極線（外皮分別為鐵佛龍和玻璃纖維兩種材質）。

（2）熱電偶點焊儀。

（3）鉑熱電阻、銅熱電阻。

5 實驗設備操作方法及注意事項

5.1 熱電偶點焊儀

a、操作方法。

（1）焊接前，應檢查保證熱電偶的電極表面的清潔度和平滑度。清洗熱電偶測量端表面，除去熱電偶極線表面污垢、有機物和部分氧化物，必要時需進行退火，以消除熱電極中的應力，改善金相組織和提高穩定性。

（2）點焊器插頭接通220V交流電源，面板上綠色指示燈亮起，此時可以進行充電操作。隨后接通充電開關，紅色指示燈亮起，觀察點焊器面板電壓表，根據熱電偶絲直徑的粗細，及時關斷充電開關，紅色指示燈滅，用于焊接的充電電壓一般在100V-200V左右。

（3）將經過處理好的兩根熱電偶金屬絲鉸接在一起，絞纏圈數不宜超過2-3圈。將其夾在點焊器鱷魚夾手柄上，并確認夾持牢固。焊接前輕按2-3次輕觸開關，當聽到接觸器吸合發出的“卡、卡”聲后將點焊器的另一個手柄上的碳棒與待焊熱電偶絲頭部接觸，按下手柄上的放電按鈕，熱電偶絲將焊接在一起。如一次未完成焊接，可再次充電，重復焊接直到達到要求為止。

b、注意事項。

每焊接一支熱電偶，都要重新進行充電的操作，焊接完畢后，就不要再進行充電，以防點焊器儲存的電能擊傷人。

5.2 熱電偶校驗裝置

a、操作方法。

（1）將校驗裝置與電源插座相連接。

（2）將均熱體放在管爐爐膛中心位置，標準熱電偶與被檢熱電偶插入均熱體，并分別將連線與儀表箱上的連線端子對應連接。

（3）按下加熱開關，指示燈亮，旋動旋鈕，同時觀察電壓指示并將其旋轉到45V左右。根據實驗設定的溫度進行反復調節，直至基本穩定在需要的溫度范圍內，當爐溫在5min 內變化不大于±1℃時即可進行讀數。

b、注意事項。

在溫度基本穩定情況下，爐溫變化不超過1℃時每支熱電偶的讀數不應少于二次。

5.3 熱電阻校驗裝置

a、操作方法。

（1）將實驗樣品插頭插入校驗裝置中，實驗樣品是四線連接方式，連接時相同顏色插于紅線同一電阻標識插孔中，正確插線后開啟電源，調節輸出電流為1mA,此時電阻R1和R2是串聯關系，拔動電壓表分別測出電阻R1和R2上的電壓，進而監測電阻大小，此時電流由三位半電流表顯示。

（2）將實驗樣品放入恒溫室中，恒溫室與加熱溫度控制儀相連接，測溫線與溫控儀上航空插座相連，此時顯示環境溫度。

（3）隨后連接與恒溫室相應的加熱插孔，調節設定室溫以上溫度，一般取20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃，實測溫度會略低，可適當調高一些，使實測溫度為上述數值，便于計算。校驗時需在上述溫度點停留至少15分鐘，測量恒定電流下對應電阻的電壓，得到在一定溫度時的電阻值。另外，為了利于傳熱均勻，可將恒溫室中加入導熱酯或導熱油。

b、注意事項。

（1）測量時分別記錄兩次實驗數據，其中一次為溫度由低到高，另一次為溫度由高到低，最終數據取兩次平均值。

（2）在記錄溫度由低到高電壓及電流數據時，在溫度達到設定值，且被測熱電阻溫度計的示值趨于穩定在半小時不再有溫度上升或下降趨勢后，將讀取數據3～5次的平均值作為記錄數據。

（3）在記錄溫度由高到低電壓及電流數據時，應先使需校驗的熱電阻冷卻，然后將其放入冰點槽的試管中，按動溫度檢測按鈕觀察冰點槽溫度，在冰點槽的溫度無波動時，將讀取數據3～5次的平均值作為記錄數據。

6 校驗及分析方法

6.1 熱電偶校驗及分析方法

（1）校驗原理為將標準熱電偶與被檢熱電偶進行比較。

（2）熱電偶在正式校驗前應先進行外觀檢查，觀察焊接點是否牢固，貴重金屬電極是否有嚴重的色斑或發黑現象，廉金屬熱電極是否有嚴重的腐蝕或脆弱現象。

（3）為了減少校驗工作量，本次實驗所用校驗裝置推薦校驗溫度點在600℃下進行，且至少采集3個校驗溫度點。

（4）熱電偶的讀數在每一個校驗點上不得少于四次，取其平均值作為最終數據進行記錄。最后取標準熱電偶的平均溫度與被檢熱電偶的平均溫度的差值，比較其是否在規定允許偏差值范圍內，進而判斷其是否合格。標準熱電偶的平均溫度與被檢熱電偶的平均溫度的差值用以下公式進行計算：

6.2 熱電阻校驗及分析方法

根據校驗過程中得到的接標準熱電阻和被校熱電阻所對應的直流電壓表的示值U和直流電流表的示值I，可以計算出標準熱電阻和被校熱電阻的阻值R，其計算式如下：

7 教學組織與實施過程

為保證教學內容的順利開展，綜合設計性實驗采用以下教學流程，即：①教師講授基本理論知識；②學生分組進行課下組內討論、自行設計實驗方案；③教師組織學生課上研討，對實驗原理、實驗方案進行論證，確定實驗方案；④學生進行實驗操作；⑤整理實驗結果；⑥撰寫實驗報告。

8 結束語

綜合設計性實驗相較于演示性、驗證性實驗更需要學生發揮自主創新、探索學習的精神。綜合設計性實驗的開展需要達到鍛煉學生自主查閱資料、獲取有效信息能力的目標，能夠使學生根據實驗原理與實驗設計指標選取實驗儀器并設計出合理實驗方案，較好地完成實驗操作與數據分析并在出現誤差較大時進行原因分析。可以預見的是，綜合設計性實驗更加注重學生的思維能力與實踐能力的培養，對傳統高校理論教學較完備、實踐教學弱化的現狀有所改善，通過利用學科專業優勢為新升本科地方高校的應用型轉型發展增添助力。