Биметаллическая полоса

Биметаллическая катушка термостата реагирует на тепло от зажигалки, разматываясь, а затем снова сматываясь, когда зажигалку вынимают.

Биметаллическая полоса или биметаллическая полоса — это полоса, состоящая из двух полос разных металлов, которые при нагревании расширяются с разной скоростью. Они используются для преобразования изменения температуры в механическое смещение. Различные расширения заставляют плоскую полосу изгибаться в одном направлении при нагревании и в противоположном направлении при охлаждении ниже начальной температуры. Металл с более высоким коэффициентом теплового расширения находится на внешней стороне кривой при нагреве полосы и на внутренней стороне при охлаждении.

Изобретение биметаллической полоски обычно приписывают Джону Харрисону восемнадцатого века , часовщику , который сделал ее для своего третьего морского хронометра (H3) 1759 года, чтобы компенсировать температурные изменения пружины баланса . ^[1] Изобретение Харрисона отмечено в мемориале ему в Вестминстерском аббатстве , Англия.

Характеристики

Полоса состоит из двух полос из разных металлов, которые при нагревании расширяются с разной скоростью, обычно это сталь и медь , а в некоторых случаях сталь и латунь . Полосы соединяются по всей длине путем клепки , пайки или сварки . Различные расширения заставляют плоскую полосу изгибаться в одну сторону при нагревании и в противоположную сторону при охлаждении ниже начальной температуры. Металл с более высоким коэффициентом теплового расширения находится на внешней стороне кривой при нагреве полосы и на внутренней стороне при охлаждении. Боковое смещение полосы намного больше, чем небольшое продольное расширение любого из двух металлов.

В некоторых случаях биметаллическая полоса используется в плоском виде. В других для компактности его сворачивают в спираль. Большая длина спиральной версии обеспечивает улучшенную чувствительность.

Радиус кривизны $R$ биметаллической полосы зависит от температуры $T$ согласно формуле, полученной французским физиком Ивоном Вилларсо в 1863 году в его исследованиях по повышению точности часов: ^[2]

{\frac {1}{R}}-{\frac {1}{R_{0}}}={\frac {3}{2a}}{\frac {(\alpha _{2}-\alpha _{1})(T-T_{0})}{h}}={\frac {3}{2a}}{\frac {\Delta \epsilon }{h}}

,

где $h=h_{1}+h_{2}$ - общая толщина биметалла и $a=1+(E_{1}h_{1}^{2}-E_{2}h_{2}^{2})^{2}/(4\ E_{1}h_{1}\ E_{2}h_{2}\ h^{2})$ – безразмерный коэффициент. Для каждой металлической полосы: $E_{i}$ модуль Юнга, $\alpha _{i}$ - коэффициент теплового расширения и $h_{i}$ это толщина. Формулу также можно переписать как функцию деформации термического несоответствия. $\Delta \epsilon =(\alpha _{2}-\alpha _{1})(T-T_{0})$ . А если модуль и высота одинаковы, то мы просто имеем $a\simeq 1$ .

Эквивалентную формулу можно вывести из теории пучка . ^[3]^[4]

История

восемнадцатого века Самая ранняя из сохранившихся биметаллических полосок была изготовлена часовщиком Джоном Харрисоном, которому обычно приписывают ее изобретение. Он сделал это для своего третьего морского хронометра (H3) 1759 года, чтобы компенсировать температурные изменения пружины баланса . ^[5] Его не следует путать с биметаллическим механизмом компенсации теплового расширения в его решетчатом маятнике . Его самые ранние образцы состояли из двух отдельных металлических полос, соединенных заклепками, но он также изобрел более позднюю технику прямого наплавления расплавленной латуни на стальную подложку. Полоска такого типа была установлена на его последнем хронометристе H5. Изобретение Харрисона отмечено в мемориале ему в Вестминстерском аббатстве , Англия.

Состав

Металлы, входящие в состав биметаллической ленты, могут различаться по составу при условии, что их коэффициенты теплового расширения различаются. Металл с более низким коэффициентом теплового расширения иногда называют пассивным металлом, а другой - активным металлом. Медь, сталь, латунь, железо и никель обычно используются в биметаллических полосах. ^[6] В биметаллических полосах также использовались металлические сплавы, такие как инвар и константан . Выбор материала оказывает существенное влияние на диапазон рабочих температур биметаллической полосы: некоторые имеют температурный предел до 500°C, а другие достигают только 150°C, прежде чем выйти из строя. ^[7]

Приложения

Этот эффект используется в ряде механических и электрических устройств.

Часы

Механические часовые механизмы чувствительны к изменениям температуры, так как каждая деталь имеет малый допуск, что приводит к ошибкам в отсчете времени. Для компенсации этого явления в механизме некоторых часов используется биметаллическая полоса. Самый распространенный метод — использование биметаллической конструкции для круглого обода балансового колеса . Что он делает, так это перемещает груз в радиальном направлении, глядя на круглую плоскость вниз возле балансового колеса, изменяя затем момент инерции балансового колеса. Поскольку пружина, управляющая балансом, становится слабее с увеличением температуры, диаметр баланса уменьшается, чтобы уменьшить момент инерции и сохранить постоянным период колебаний (и, следовательно, хронометраж).

В настоящее время эта система больше не используется из-за появления сплавов с низким температурным коэффициентом, таких как ниварокс , парахром и многих других, в зависимости от каждой марки.

Термостаты

При регулировании отопления и охлаждения термостаты используются , работающие в широком диапазоне температур. В них один конец биметаллической полосы механически закреплен и прикреплен к источнику электрической энергии, а на другом (подвижном) конце имеется электрический контакт. В регулируемых термостатах другой контакт расположен с помощью регулирующей ручки или рычага. Установленное таким образом положение контролирует регулируемую температуру, называемую уставкой .

В некоторых термостатах используется ртутный переключатель , подключенный к обоим электрическим проводам. Угол всего механизма регулируется для контроля заданного значения термостата.

В зависимости от применения более высокая температура может открыть контакт (как в системе управления обогревателем ) или закрыть контакт (как в холодильнике или кондиционере ).

Электрические контакты могут управлять мощностью напрямую (как в домашнем утюге) или косвенно, переключая электроэнергию через реле или подавая природный газ или мазут через клапан с электроприводом. В некоторых обогревателях, работающих на природном газе, питание может обеспечиваться с помощью термопары , которая нагревается контрольной лампочкой (небольшое, постоянно горящее пламя). В устройствах без контрольных лампочек зажигания (как в большинстве современных газовых сушилок для одежды, а также в некоторых газовых обогревателях и декоративных каминах) питание контактов обеспечивается пониженной бытовой электроэнергией, которая приводит в действие реле, управляющее электронным воспламенителем, либо резистивным нагревателем, либо устройство с электрическим приводом искрогенерирующее .

Термометры

с прямой индикацией Термометр , распространенный в бытовых устройствах (например, термометр для террасы или термометр для мяса), в своей наиболее распространенной конструкции использует биметаллическую полоску, завернутую в катушку. Катушка изменяет линейное движение расширения металла на круговое движение благодаря геликоидальной форме, которую она рисует. Один конец катушки прикреплен к корпусу устройства в качестве точки фиксации, а другой приводит в движение индикаторную стрелку внутри круглого индикатора. Биметаллическая полоска используется также в записывающем термометре . Термометр Бреге состоит из триметаллической спирали для получения более точных результатов.

Тепловой двигатель

Тепловые двигатели не самые эффективные, а при использовании биметаллических полос КПД тепловой машины еще ниже, так как отсутствует камера для удержания тепла. Более того, биметаллические полосы не могут обеспечить прочность при своих движениях, причина в том, что для достижения разумных изгибов (перемещений) обе металлические полосы должны быть тонкими, чтобы разница между расширением была заметна. Таким образом, металлические полосы в тепловых двигателях используются в основном в простых игрушках, созданных для демонстрации того, как этот принцип можно использовать для приведения в движение теплового двигателя . ^{[ нужна ссылка ]}

Электрические устройства

Биметаллические полоски используются в миниатюрных автоматических выключателях для защиты цепей от превышения тока. Катушка проволоки используется для нагрева биметаллической полосы, которая сгибается и приводит в действие рычаг, который разблокирует подпружиненный контакт. Это прерывает цепь и может быть сброшено, когда биметаллическая полоса остынет.

Биметаллические полоски также используются в реле задержки времени, предохранительных клапанах газовых духовок , термосигнализаторах для старых указателей поворота и пускателях люминесцентных ламп . В некоторых устройствах ток, протекающий непосредственно через биметаллическую полоску, достаточен для ее нагрева и непосредственного срабатывания контактов. Он также использовался в механических ШИМ-регуляторах напряжения для автомобилей. ^[8]

См. также

Термотайм-выключатель

Ссылки

Примечания

^ Собель, Дава (1995). Долгота . Лондон: Четвертое сословие. п. 103. ИСБН 0-00-721446-4 . Одно из изобретений, которые Харрисон представил в H-3... называется... биметаллическая полоса.
^ Ивон Вилларсо, А.-Ж. (1863). Исследования по механизму и компенсации хронометров . Анналы Императорской Парижской обсерватории, Том VII. п. 88.
^ Клайн, ТВ. «Остаточные напряжения в поверхностных покрытиях и их влияние на межфазное отслоение». Ключевые инженерные материалы (Швейцария). Том. 116–117, стр. 307–330. 1996 год
^ Timoshenko, J. Opt. Soc. Am. 11, 233 (1925)
^ Собель, Дава (1995). Долгота . Лондон: Четвертое сословие. п. 103. ИСБН 0-00-721446-4 . Одно из изобретений, которые Харрисон представил в H-3... называется... биметаллическая полоса.
^ Аксом, Тесса (30 марта 2023 г.). «Объяснение биметаллической полосы» . Фиктив . Проверено 1 марта 2024 г.
^ Михальский, Л.; Экерсдорф, К.; Кучарски, Яцек; МакГи, Дж. (2001). Измерение температуры, 2-е издание . Джон Вили и сыновья, ООО ISBN 0471867799 .
^ «Стабилизаторы напряжения Smiths - ПЕРЕСМОТРЕННАЯ» .

Внешние ссылки

[1] Собель, Дава (1995). Долгота . Лондон: Четвертое сословие. п. 103. ИСБН 0-00-721446-4 . Одно из изобретений, которые Харрисон представил в H-3... называется... биметаллическая полоса.

[2] Ивон Вилларсо, А.-Ж. (1863). Исследования по механизму и компенсации хронометров . Анналы Императорской Парижской обсерватории, Том VII. п. 88.

[3] Клайн, ТВ. «Остаточные напряжения в поверхностных покрытиях и их влияние на межфазное отслоение». Ключевые инженерные материалы (Швейцария). Том. 116–117, стр. 307–330. 1996 год

[4] Timoshenko, J. Opt. Soc. Am. 11, 233 (1925)

[5] Собель, Дава (1995). Долгота . Лондон: Четвертое сословие. п. 103. ИСБН 0-00-721446-4 . Одно из изобретений, которые Харрисон представил в H-3... называется... биметаллическая полоса.

[6] Аксом, Тесса (30 марта 2023 г.). «Объяснение биметаллической полосы» . Фиктив . Проверено 1 марта 2024 г.

[7] Михальский, Л.; Экерсдорф, К.; Кучарски, Яцек; МакГи, Дж. (2001). Измерение температуры, 2-е издание . Джон Вили и сыновья, ООО ISBN 0471867799 .

[8] «Стабилизаторы напряжения Smiths - ПЕРЕСМОТРЕННАЯ» .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]