在热能与动力工程测试课程中开展缸盖测温实验教学

黄 瑞 俞小莉 钱柯宇 陈俊玄 陈芬放 陈晓强

浙江大学能源工程学院 浙江杭州 310027

研究生作为现代化社会科技进步发展的主力军，其实践应用能力的培养越来越受到重视[1-5]。社会对在校研究生的高要求也促使高校在实践教学方面进行更深层次的探索。其中，实验教学作为一种具有实践应用表征和理论知识内核的教学方式，可以促进研究生的实践能力培养和动手实操能力提升[6-9]。大量的事实证明，研究生实验技能的高低，决定了其科技创新水平的高低[10]。

热能与动力工程测试技术作为一门多学科交叉的综合技术，深度融合了传感技术、信息处理技术、计算机技术以及控制技术等，具有极强的实操性。在传统的重理论，轻实践的教育模式下，该课程仅对学生进行理论教学，着重于原理以及方法的传授，缺少实验教学，忽略了学生的实际应用能力培养。为加强研究生的实践能力培养，特于2015年在本校为该课程设置实验课程，通过系统的实验训练，锻炼学生独立思考、解决问题的能力。

对于热能与动力工程专业的研究生，在研究生科研过程中独立开展实验研究是必不可少的手段和内容。而温度的测量作为测试技术中非常重要的一部分，也在科研中占据着举足轻重的位置[11-13]。本课程以最为常见的动力机械—发动机中的缸盖火力面测温为例展开温度测试实验教学[14-16]。从测试台架搭建、传感器选择、测点布置、数据采集到后处理与误差分析，着力于培养研究生的系统性思维，帮助学生吸收并消化温度测量的整体流程，有助于学生对温度测量有更为深刻的认识，在后续的研究生阶段可以具备更为全面的实验技能与实践能力。

1 实验设备

在缸盖火力面测温实验过程中，采用的实验设备如图1所示，包括热电偶、热电偶模块、数据采集控制器等。通过对各模块的系统学习，可以加深学生对课堂理论知识的理解与消化，并且对学生的实验系统性思维进行训练。

图1 缸盖火力面测温实验设备示意图

1.1 热电偶

用于缸盖火力面测温的热电偶应满足如下要求：一是能够在300 ℃以上的高温下工作；二是线性度较好；三是为了便于热电偶在发动机台架的布置，热电偶的长度应达到3 m。综上所述可选择K型热电偶。

1.2 热电偶模块

热电偶模块为作为变送器，内置信号放大器、A/D转换器、热电偶分度表、冷端补偿模块等。要求被测温度在300 ℃以下时，热电偶模块的增益误差、偏置误差、冷端补偿误差等所有误差之和不得超过1.5 ℃；被测温度在300～400 ℃以下时所有误差之和不得超过2.5 ℃。

1.3 数据采集控制器

负责控制定时、同步以及外部/集成上位机与I/O模块之间的数据传输。在实验教学中采用NI cDAC-9178型控制器。

2 实验设备标定

标定工作是实验前期准备阶段必不可少的一环，在传统的理论教学过程中，对实验设备的标定并未具体阐述，导致部分学生无法理解标定的真正含义与流程，在后续的研究生科研实验阶段没有标定意识，大大阻碍了工科研究生科研的顺利开展。因此，在本实践教学中对学生的实验设备标定技能进行了系统训练。

在实验过程中，采用系统标定的方法进行热电偶标定。标定时系统的结构简图如图2所示，标定过程如下。

图2 热电偶标定示意图

(1)按图2连接好标定设备。

(2)将标准水银温度计与热电偶置于恒温油槽中，标准水银温度计不应碰到恒温油槽壁面及热电偶，且尽量放置在靠近热电偶测量端的位置。

(3)调节油槽温度。按梯度从标定起始温度至标定终了温度调节恒温油槽温度，并选取对应量程的标准水银温度计。标定范围应大于测温范围。

(4)待温度稳定、水银温度计示数不再变化时，分别读取并记录标准水银温度计的示数和数据采集系统示数。

(5)重复第3、第4步骤。

(6)得到所有标定点的真实温度—指示温度数据后，以真实温度为横坐标，指示温度为纵坐标，绘制标定热电偶的真实温度—指示温度关系图。

(7)将标定数据的散点进行线性拟合，拟合成的直线与y=x直线有一定偏差，通过修正其斜率和截距使其与y=x直线重合。

(8)记录各热电偶斜率的修正系数和截距的修正值，用于缸盖火力面测试中测得温度的修正。

3 缸盖测温试件

在温度测试实验中，信号的质量除了受到测量系统精度的影响外，还会受到测点位置的影响。因此正确的测点布置对温度测量的精度起着至关重要的作用。在测试技术课程的理论教学中，主要侧重对温度传感器的使用介绍，传感器位置的布置需要在实验教学的过程中对学生加以训练。由于不同的测温对象的测点位置各不相同，在实验教学的过程中，需要注重培养学生独立思考的能力，使其针对不同的实验对象时，能根据对象特点合理地布置温度传感器测点。

3.1 火力面温度测点布置

温度测点的布置需要根据缸盖可能的温度分布、重点关注的区域、缸盖实际的结构等因素确定。缸盖火力面上的温度分布通常有以下规律：气缸盖排气门附近的温度较高、进气门附近的温度较低、气缸盖温度从火力面中心沿径向递减。对于四气门缸盖，排气门鼻梁区的温度最高，进气门鼻梁区的温度较低。以上区域因温度较高或温度梯度较大，也是考察的重点区域。因此考虑在进排气门鼻梁区布置温度测点。若实机鼻梁区不适宜打孔(二气门柴油机较多)，则可将测点布置在其他位置。

基于以上原则，在缸盖火力面测温实验中，对火力面的测点布置如图3所示。以某小组热电偶布点为例，如图4所示，边缸和中间缸的火力面各布置7个测点共计14个测点。

图3 火力面测点示意图

图4 缸盖火力面温度测点布置实物图

3.2 热电偶的安装

热电偶在缸盖火力面的安装方式采用圆柱形闷头的方法，闷头孔为一阶梯孔，底部与从缸盖侧面打入的、与其垂直的孔贯通(如图5所示)；圆柱形闷头结构如图6所示。闷头孔和闷头的尺寸按照柴油机实际底板结构、加工工艺等条件确定，在条件允许的情况下尽量提高加工精度。

图5 缸盖加工示意图

图6 闷头加工图

4 台架实验

4.1 实验流程

完成上述实验的前期准备工作后，组织学生正式开始进行缸盖火力面测温实验，具体实验过程如下。

(1)传感器安装及发动机装配。在缸盖上安装好所有温度测点上的热电偶，并按柴油机装配要求将安装好热电偶的缸盖安装在发动机上，缸盖螺栓按要求的扭矩拧紧，再将发动机置于发动机测试台架，并调整到合适的水平位置，每个缸盖上放置石棉布，防止感应线圈短路，操作控制面板的下降按钮，调节线圈位置至紧贴缸盖即可。

(2)数据采集平台搭建。按要求对热电偶、热电偶模块、数据采集控制器、上位机进行连线并调试。

(3)感应加热。启动水泵，将冷却水流量调至目标值，打开控制柜电源，启动感应加热设备，将缸盖温度调至目标值，并运行10 min。

(4)工况稳定性判定。

(5)数据采集及记录。发动机工况稳定，打开数据采集系统，采集缸盖火力面温度数据并记录。

(6)实验完毕。记录完毕后，停止发动机。

(7)数据处理。

4.2 发动机工况稳定性判定

本实验的目的在于测量发动机在稳定工况下缸盖测温点上的温度，因此需要判定发动机是否达到稳定工况。发动机工况稳定性是通过测量并判断缸盖测温点上的温度是否稳定来判定的，判定方法如下。

在发动机运行时，连续测量缸盖测温点上的温度15次以上，得到一系列测量值，对上述数据计算平均值L、偏差vi、均方根误差和极限误差Δlim。若，则认为缸盖测温点上的温度波动较大，尚未达到稳定状态。应等感应加热再运行一段时间后，再重复上述数据采集和判定工作，直至温度稳定。某小组的温度数据采集过程如图7所示。重复数据采集工作至温度稳定后，方可进行下一步误差分析与数据处理。

图7 数据采集过程图

5 数据处理

在热能与动力工程测试技术中，测试误差分析及数据处理是非常重要的教学内容。在实验过程中，直接测量和间接测量均会由于测量仪器、方法以及外界条件的影响，使得测量值与真实值之间存在一定误差。这就需要研究生具备误差处理的意识以及正确科学地表达实验结果的能力。因此特在温度测试实验中增设数据处理以及误差分析环节，让学生在处理数据的过程中，更为透彻地吸收、消化误差处理的方法，并为后续的科研实验打下坚实的基础。

5.1 有效数字处理

数据处理过程中保留3位有效数字，数据结果中呈现2位有效数字。

5.2 系统误差估算及修正

测试中，系统误差来源及处理方法见表1。

表1 系统误差来源及处理

5.3 缸盖火力面温度分布结果

以某小组最终的实验数据处理结果为例，在不同发动机转速下，缸盖火力面的温度分布如图8所示，温度测试结果与实际相符。

图8 缸盖测温数据处理结果

6 结语

在热能与动力工程测试技术课程中增加实验教学内容，有利于提高在校研究生的实践动手能力。而在热能测试实验中，温度的测试是必不可少的内容之一，同时也是热能与动力工程专业研究生科研阶段必须要掌握的重要技能。在实验教学过程中，以发动机缸盖火力面的温度测试为教学案例，通过系统性的实验帮助学生进一步加深对温度测量相关理论的理解，并提高了学生理论结合实际的能力。“授人以鱼，不如授人以渔”，学生在温度测试中掌握的实验方法可以迁移至其他测试实验中，大大提升了在校研究生的实践能力和应用能力，既为后续的研究生阶段科研实验打好基础，也有助于社会竞争力强的应用型人才的培养。