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热机效率力热电综合实验仪

阅读：1078发布：2020-08-10

IPRDB可以提供热机效率力热电综合实验仪专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种热机效率力热电综合实验仪。它是在热箱1的内侧面安装电热片4，热箱1的外侧面安装温差发电片5，温差发电片5的另一面安装带风扇的散热片6，热箱1和散热片6都带有温度计。负载电动机10及负载电阻32分别通过负载转换开关18的右端和左端与温差发电片5并联。电热片4与可调稳压电源26并联。负载电动机10的转轴11上安装测速轮12，测速轮12的轴心位置安装加长转轴37，加长转轴37穿过测力板13和压簧36及顶板38。电压表16和电流表20分别通过多个开关的特殊连接方式接入电路。本发明解决了现有技术中的热机实验仪功能单一、且不便定量测量热机效率、不环保等问题。它可用于大学物理或演示物理实验教学。，下面是热机效率力热电综合实验仪专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种热机效率力热电综合实验仪，包含电源插头（34），机壳（15），可调稳压电源（26），风扇电源（33），其特征是热箱（1）的内侧面安装电热片（4），热箱（1）的外侧面安装温差发电片（5），温差发电片（5）的另一面安装散热片（6），散热片（6）附近安装风扇（7），热箱温度传感器（24）安装在电热片（4）上，热箱温度计（22）通过导线与热箱温度传感器（24）相连后安装在机壳（15）上，散热片温度传感器（25）安装在散热片（6）上，散热片温度计（23）与散热片温度传感器（25）相连后安装在机壳（15）上，负载电动机（10）通过支架（9）安装在机壳（15）上，负载电动机（10）及负载电阻（32）分别通过负载转换开关（18）的右端和左端与温差发电片（5）并联，电热片（4）与可调稳压电源（26）并联，负载电动机（10）的转轴（11）上安装测速轮（12），测速轮（12）的轴心位置安装加长转轴（37），加长转轴（37）穿过测力板（13）和压簧（36）及顶板（38），顶板（38）的底部固定在机壳（15）上，测力板（13）与测速轮（12）靠着压簧（36）的弹力而相互接触。

2.按权利要求1所述的热机效率力热电综合实验仪，其特征是电热片（4）及温差发电片（5）的下端分别接电压表转换开关（17）的左端和右端，电压表（16）的下输入端接电压表转换开关（17）的中心端，电压表（16）的上输入端接电热片（4）的上端。

3.按权利要求1所述的热机效率力热电综合实验仪，其特征是负载电动机（10）及负载电阻（32）的下端与电流表转换开关（21）的右下端及负载旁路开关（30）的下端相连，电流表转换开关（21）的中心端与电流表（20）的输入端并联，电流表转换开关（21）的左下端与加热旁路开关（29）下端及电热片（4）下端相连，电流表转换开关（21）的左上端与加热旁路开关（29）上端及可调稳压电源（26）的下输出端相连。

4.按权利要求1所述的热机效率力热电综合实验仪，其特征是热箱（1）的外面还带有活动式保温罩。

说明书全文

热机效率力热电综合实验仪

技术领域

[0001] 本发明涉及一种物理实验仪器，尤其指一种热机效率力热电综合实验仪。

背景技术

[0002] 在大学物理中，热机定义为可把热量不断地转换成对外做功的机器叫热机。热机效率定义为热机对外做的功（或对外输出功率）除以热机吸收的热量（或热机获得的热功率）。现有技术中可以做的热机实验用的仪器是用各种燃料的热机，但由于燃料的燃爆而产生的热量不便于定量测量，并且可燃物燃烧在实验室内产生环境污染，因而只能做定性的、仪器数量少的演示物理实验。另外这类实验往往也就是仅仅联系到热学知识的单纯的热学实验内容，而现代的高等教育理念是提倡把各种不同领域的知识综合运用到一个实验中去，但是现有技术中的该类仪器不能满足此要求。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种综合力学、热学、电学知识进行实验的热机效率综合实验仪。它既可以定量测量热机效率，还可以测定直流永磁电动机的力学特性，还可以测量电源内阻、演示用热水等非电热来驱动电动机转等实验内容。

[0004] 为了实现上述目的，本发明包含电源插头34、机壳15、可调稳压电源26、风扇电源33。热箱1的内侧面安装电热片4，热箱1的外侧面安装温差发电片5，温差发电片5的另一面安装散热片6，散热片6附近安装风扇7，热箱温度传感器24安装在电热片4上，热箱温度计22通过导线与热箱温度传感器24相连后安装在机壳15上，散热片温度传感器25安装在散热片
6上，散热片温度计23与散热片温度传感器25相连后安装在机壳15上，负载电动机10通过支架9安装在机壳15上，负载电动机10及负载电阻32分别通过负载转换开关18的右端和左端与温差发电片5并联，电热片4与可调稳压电源26并联。

[0005] 负载电动机10的转轴11上安装测速轮12，测速轮12的轴心位置安装加长转轴37，加长转轴37穿过测力板13和压簧36及顶板38，顶板38的底部固定在机壳15上，测力板13与测速轮12靠着压簧36的弹力而相互接触。

[0006] 电热片4及温差发电片5的下端分别接电压表转换开关17的左端和右端，电压表16的下输入端接电压表转换开关17的中心端，电压表16的上输入端接电热片4的上端。

[0007] 负载电动机10及负载电阻32的下端与电流表转换开关21的右下端及负载旁路开关30的下端相连，电流表转换开关21的中心端与电流表20的输入端并联，电流表转换开关21的左下端与加热旁路开关29下端及电热片4下端相连，电流表转换开关21的左上端与加热旁路开关29上端及可调稳压电源26的下输出端相连。热箱1外面还带有活动式保温罩。

[0008] 由于本发明把电热片4通过热箱1把热量传递给温差发电片5的一个侧面，温差发电片5的另一个侧面安装散热片6及风扇7，由此就把热能转化成了电能。负载电动机10及负载电阻32分别通过负载转换开关18的右端和左端与温差发电片5并联，就可把温差发电片5的电能进一步转化成负载电动机10的机械能或负载电阻32上的热能，从而可以方便准确地定量测量和计算热机效率，并且没有室内环境污染问题。本发明安装的测速轮12、测力板13等相关部件的相互结构，可以方便地配合现有技术中的测力计和转速表来测量负载电动机10的实际输出功率，并且可以测量其输出转矩和转速的关系曲线，并寻找其最大输出功率，并涉及到力学知识的转矩、功率、作用和反作用力等知识点。同时还可进行电源内阻测量设计性实验内容。也即本发明把力学、热学、电学实验内容整合成一个综合设计性实验项目了，有利于提高学生的创新意识和能力。把电压表转换开关17、电流表转换开关21、加热旁路开关29、负载旁路开关30以巧妙方式接入电路，可使得电压表16和电流表20可以一表两用，降低了成本并方便了使用。热箱1外面带有的活动式保温罩，还可增加热机效率与绝热好坏关系的实验内容。

附图说明

[0009] 图1是本发明的机械原理图；图2是本发明的电路原理图；
图3是本发明的实施例3的结构示意图。

具体实施方式

[0010] 在图1和图2中，电源插头34通过电源开关35和导线与可调稳压电源26的输入端并联。铁皮制作的机壳15的顶部安装固定有金属材料制成的热箱1。热箱1上面是可取下或盖上的热箱盖2，热箱盖上面安装一个提手3。热箱1外面还有一个可以套上和取下的保温罩，该保温罩可用耐温超过120度的材料制作。可调稳压电源26的上输出端与电热片4及电压表16的上端相连。风扇电源33、电压表电源27、电流表电源28（兼给热箱温度计22和散热片温度计23供电）的电源输入端并联后再与220V电源线并联。热箱1的一个内侧面安装电热片4。
热箱1的外侧面靠近电热片4的部位安装温差发电片5，安装面要涂抹导热硅脂帮助传热。温差发电片5的另一面安装散热片6。散热片6附近安装风扇7，风扇7通过固定架8固定在散热片6上。热箱温度传感器24安装在电热片4上，热箱温度计22通过导线与热箱温度传感器24相连后安装在机壳15上。散热片温度传感器25安装在散热片6上。散热片温度计23与散热片温度传感器25通过导线相连后安装在机壳15上。负载电动机10及负载电阻32分别通过负载转换开关18的右端和左端与温差发电片5并联。电热片4与可调稳压电源26通过电流表转换开关21（或加热旁路开关29）相互并联。

[0011] 负载电动机10通过支架9用螺丝固定在机壳15的顶部。负载电动机10的转轴11上安装测速轮12，测速轮12贴上激光反射片，以方便激光测速仪测量转速。测速轮12的轴心位置安装加长转轴37。加长转轴37穿过测力板13和压簧36及顶板38。测力板13与测速轮12之间靠着压簧36的弹力而相互接触，因而产生两者相互摩擦力以便于测量转矩。测力板13外沿带有小孔，以方便测力计的钩子勾住。顶板38用螺丝（可用带小把手的螺丝以方便调节）安装在机壳15上的顶部。顶板38底部的螺丝孔为长条形的，以方便调节压簧36的压力，从而改变测力板13与测速轮12之间的摩擦力，使得负载电动机10得到不同的转速和不同的转矩。

[0012] 电热片4及温差发电片5的下端分别接电压表转换开关17的左端和右端，电压表16的下输入端接电压表转换开关17的中心端，电压表16的上输入端接电热片4的上端。该技术特征好处：一个电压表两用。

[0013] 负载电动机10及负载电阻32的下端与电流表转换开关21的右下端及负载旁路开关30的下端相连，电流表转换开关21的中心端与电流表20的输入端并联，电流表转换开关21的左下端与加热旁路开关29下端及电热片4的下端相连。电流表转换开关21的左上端与加热旁路开关29上端及可调稳压电源26的下输出端相连，该技术特征好处：一个电流表两用。隔离电阻39的作用是测电压时起到通路作用（电压表内阻达到兆欧级别，而隔离电阻39的阻值为3K为通路，不会影响电压测量），但对其他工作因阻值高3K又起到隔离效果。

[0014] 热箱1外面还带有活动式保温罩，盖上和取下就可研究热机效率与热机绝热情况的关系。

[0015] 电压表16、电流表20、加热电压调节36（也即可调稳压电源26内部电路的电压调节电位器）、电源开关35、电压表转换开关17、负载转换开关18、负载指示灯19、电流表转换开关21、加热旁路开关29、负载旁路开关30全安装在机壳15的面板上。

[0016] 本实施例部分器件参考值如下：负载电动机10用不带稳速的普通小型直流永磁微型电动机。负载电阻32的阻值3欧姆，功率5W。负载转换开关18用带有中间断电档位的。限流电阻31阻值为200欧姆。电流表转换开关21用双刀双掷拨动开关。其余各个开关用单刀小型钮子拨动开关。电热片4用电阻式片状电热元件，尺寸长宽都是4厘米。电压表16用10-20V小型数字直流电压表。电流表也用小型数字直流的。可调稳压电源26用12V5A的大功率开关电源，其余各个电源用普通三端稳压电源。热箱温度计22和散热片温度计23用小型液晶数字温度计。

[0017] 本实施例的实验过程如下：接通电源后，电热片4因得电而发热，同时风扇7也转动。这就使得温差发电片5的左右面产生温差而发电。如果负载转换开关18接左位，就使得负载电阻32获得电能而发热做功，同时指示灯19亮起。把电压表转换开关17拨向右位可测出负载电阻32上的电压U。则负载电阻32上得到的电功率为U2/3，这也就是热机输出的电功率。再把电流表转换开关21拨向左位，断开加热旁路开关29，接通负载旁路开关30（目的是维持负载电路仍接通）。这就可把电热片4上电流I测出。把电压表转换开关17拨向左位就可测出电热片4上的电压V，则热机效率n= （U2/3）/IV。再把负载转换开关18接中间空挡位，测出温差发电片5上的空载电压也就是其发电电动势。由上述数据就可算出温差发电电源的内阻。如果用便携式数字测力计（或弹簧秤）勾住测力板13（勾在其小孔上），再把负载转换开关18接右位，就使得负载电动机10获得电能而转动，用激光转速表的激光束对准激光反射片14就可读出其转速。而勾住测力板13的数字测力计的读数就是在该转速下负载电动机10的转矩中的力（即测力板13与测速轮12之间的摩擦力，这是基于牛顿第三定律--作用力等于反作用力），再乘以测力点的半径就是转矩。再根据功率=（转矩·转速）/9550的关系，就可把负载电动机10的输出功率算出来。把负载电动机10的输出功率除以电热片4上的电流和电压乘积就是热机效率。此时就是把热能转化成机械能的热机效率。利用热箱温度计
22和散热片温度计23上的读数，还可计算热机的卡诺效率。

[0018] 如果调节顶板38的前后位置（通过调节顶板38底部的可调螺丝就行），就可调节压簧36对测力板13的压力，从而调节测力板13与测速轮12之间的摩擦力。这就可得到不同的转速和相应的转矩，进而进行负载电动机10的转速与输出功率之间关系的运行曲线的测量实验内容，并可找出最高输出功率所对应的转速。

[0019] 还可进行热箱1的保温状况对热机效率的影响实验内容，这是通过预设热箱1是否带有保温罩来实验的。

[0020] 本发明还可做用其他非电热源的热机演示实验。方法是不给电热片4送电，而改用热水、酒精灯等热源驱动负载电动机10转动。此时可把刚开的100度的水倒入热箱1内，此时负载电动机10就转起来，很有趣也很吸引学生。

[0021] 实施例2是简化版本。它是把温度计换成酒精温度计，电压表和电流表换成机械指针式的，去掉电流表转换开关21、电压表转换开关17、加热旁路开关29、负载旁路开关30。并在电热片4支路直接并联电压表和串联电流表，温差发电片5支路也直接并联电压表和串联电流表。实验过程可参考上述实施例。

[0022] 实施例3是把本发明各个组件仿照上述结构和布局，安装在一个敞开式的实验箱里面，见图3。仪表和开关安装在左侧的面板上（也可视为机壳15的一部分），可调稳压电源26等各个电源等安装在左侧的面板底部，右侧区域安装其余部分（也即前述机壳15顶部上的那些构件），实验完了可以盖上实验箱盖。

标题	发布/更新时间	阅读量
热机-专利编号CN102032004B	2020-05-11	1023
热机-专利编号CN100487235C	2020-05-11	583
热机-专利编号CN1075776A	2020-05-11	970
热机-专利编号CN102449293A	2020-05-11	392
热机-专利编号CN102032004A	2020-05-12	81
热机-专利编号CN1434898A	2020-05-12	245
热机-专利编号CN101044311A	2020-05-12	196
多级热机-专利编号CN106662370A	2020-05-13	758
热机-专利编号CN104131850B	2020-05-13	1031
热机-专利编号CN104131850A	2020-05-13	917

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