Биметаллическая полоса - Bimetallic strip

Схема биметаллической полосы, показывающая, как разница в тепловом расширении двух металлов приводит к гораздо большему смещению полосы вбок

Биметаллическая спираль термометра реагирует на тепло от зажигалки, раскручиваясь, а затем снова свертываясь, когда зажигалка снимается.

А биметаллическая лента используется для преобразования изменения температуры в механическое смещение. Полоса состоит из двух полос разных металлов, которые расширяются с разной скоростью при нагревании, обычно стали и медь, или в некоторых случаях сталь и латунь. Различное расширение заставляет плоскую полосу изгибаться в одну сторону при нагревании и в противоположном направлении при охлаждении ниже начальной температуры. Металл с высшим коэффициент температурного расширения находится на внешней стороне кривой при нагревании полосы и на внутренней стороне при охлаждении.

Изобретение биметаллической ленты обычно приписывают Джон Харрисон, восемнадцатого века часовщик кто сделал это для своего третьего морской хронометр (H3) 1759 г., чтобы компенсировать температурные изменения пружина баланса.^[1] Изобретение Харрисона признано в мемориале ему в Вестминстерское аббатство, Англия.

Этот эффект используется в ряде механических и электрических устройств.

Характеристики

Полоса состоит из двух полос разных металлов, которые расширяются с разной скоростью при нагревании, обычно стали и медь, или в некоторых случаях сталь и латунь. Полоски соединяются по всей длине с помощью захватывающий, пайка или же сварка. Различное расширение заставляет плоскую полосу изгибаться в одну сторону при нагревании и в противоположном направлении при охлаждении ниже начальной температуры. Металл с высшим коэффициент температурного расширения находится на внешней стороне кривой при нагревании полосы и на внутренней стороне при охлаждении. Боковое смещение полосы намного больше, чем небольшое продольное расширение любого из двух металлов.

В некоторых приложениях биметаллическая полоса используется в плоской форме. В других для компактности он завернут в катушку. Большая длина спиральной версии дает улучшенную чувствительность.

В кривизна биметаллической балки можно описать следующим уравнением:

{ displaystyle kappa = { frac {6E_ {1} E_ {2} (h_ {1} + h_ {2}) h_ {1} h_ {2} epsilon} {E_ {1} ^ {2} h_ {1} ^ {4} + 4E_ {1} E_ {2} h_ {1} ^ {3} h_ {2} + 6E_ {1} E_ {2} h_ {1} ^ {2} h_ {2} ^ {2} + 4E_ {1} E_ {2} h_ {2} ^ {3} h_ {1} + E_ {2} ^ {2} h_ {2} ^ {4}}}}

куда ${ displaystyle kappa = 1 / R}$ и ${ displaystyle R}$ - радиус кривизны, ${ displaystyle E_ {1}}$ и ${ displaystyle h_ {1}}$ являются Модуль для младших и высота (толщина) материала один и ${ displaystyle E_ {2}}$ и ${ displaystyle h_ {2}}$ - модуль Юнга и высота (толщина) материала два. ${ displaystyle epsilon}$ деформация несоответствия, рассчитанная по формуле:

{ displaystyle epsilon = ( alpha _ {1} - alpha _ {2}) Delta T ,}

где α₁ - коэффициент теплового расширения материала один, а α₂ - коэффициент теплового расширения материала два. ΔT - текущая температура минус эталонная температура (температура, при которой балка не изгибается).^[2]^[3]

Вывод радиуса кривизны

Пусть слой на вогнутой стороне будет слоем 1, а на выпуклой стороне - слоем 2, и пусть толщина каждого будет ${ displaystyle h_ {1}}$ и ${ displaystyle h_ {2}}$ соответственно. Слой 1 находится в напряжении с силой, направленной наружу на каждом конце ${ displaystyle F_ {1}}$ , а слой 2 сжимается с силой внутрь на каждом конце ${ displaystyle F_ {2}}$ . Поскольку система находится в равновесии ${ Displaystyle F_ {1} = F_ {2} = F}$ .

На каждом конце слоя 1 есть изгибающий момент ${ displaystyle M_ {1}}$ , и аналогично для слоя 2. Если ${ displaystyle R}$ - радиус кривизны, то ${ displaystyle M_ {1} = E_ {1} I_ {1} / R}$ и ${ displaystyle M_ {2} = E_ {2} I_ {2} / R}$ куда ${ displaystyle EI}$ это Жесткость на изгиб, ${ displaystyle E}$ это Модуль для младших и ${ displaystyle I}$ это Второй момент площади. Для прямоугольного сечения шириной ${ displaystyle w}$ , ${ displaystyle I_ {1} = wh_ {1} ^ {3} / 12}$ и ${ displaystyle I_ {2} = wh_ {2} ^ {3} / 12}$ . Пара произведена силами ${ displaystyle F}$ действуют по средним линиям каждого слоя и разделены ${ displaystyle h_ {1} / 2 + h_ {2} / 2 = h / 2}$ является ${ displaystyle Fh / 2}$ , и снова потому, что полоса находится в равновесии и нет внешних приложенных крутящих моментов, ${ displaystyle Fh / 2 = M_ {1} + M_ {2}}$ . Следовательно

{ displaystyle { frac {Fh} ​​{2}} = { frac {w} {12R}} (E_ {1} h_ {1} ^ {3} + E_ {2} h_ {2} ^ {3} )}

.

Теперь рассмотрим поверхность контакта между двумя слоями. Длина этой поверхности для слоя 1 составляет ${ displaystyle L_ {0} (1+ alpha _ {1} (T-T_ {0}) + F_ {1} / wh_ {1} E_ {1} + h_ {1} / 2R)}$ куда ${ displaystyle T_ {0}}$ это температура, при которой полоса прямая, ${ displaystyle L_ {0}}$ - длина слоя при температуре ${ displaystyle T = T_ {0}}$ (т.е. когда он прямой и не испытывает напряжения со стороны слоя 2), и ${ displaystyle alpha _ {1}}$ - коэффициент теплового расширения (относительное увеличение длины на единицу увеличения температуры). Второй член здесь явно представляет собой частичное изменение длины, вызванное тепловым расширением, третий член - это деформация, вызванная напряжением ${ displaystyle F_ {1} / wh_ {1}}$ из-за силы ${ displaystyle F_ {1}}$ действующий по площади конца (положительный, потому что сила растягивающая). Последний член представляет собой дополнительную длину контактной поверхности относительно средней линии слоя 1 (положительный, поскольку контактная поверхность является внешней выпуклой поверхностью). Аналогично, длина этой поверхности для слоя 2 равна ${ displaystyle L_ {0} (1+ alpha _ {2} (T-T_ {0}) - F_ {2} / wh_ {2} E_ {2} -h_ {2} / 2R)}$ (знаки минус, потому что сила сжимающая и контакт находится на внутренней поверхности). Поскольку поверхности склеены,

{ displaystyle alpha _ {1} (T-T_ {0}) + { frac {F} {wh_ {1} E_ {1}}} + { frac {h_ {1}} {2R}} = alpha _ {2} (T-T_ {0}) - { frac {F} {wh_ {2} E_ {2}}} - { frac {h_ {2}} {2R}}}

.

Перестановка для извлечения ${ displaystyle kappa = 1 / R}$ , собирая сроки и устраняя ${ displaystyle F}$ используя приведенное выше уравнение, получаем уравнение для ${ displaystyle kappa}$ в основной статье.

Понимание может быть получено, если только что данный результат умножить сверху и снизу на ${ displaystyle (h_ {1} + h_ {2}) / E_ {1} E_ {2} h_ {1} ^ {2} h_ {2} ^ {2}}$

{ displaystyle kappa = { frac {6 (r_ {h} + 2 + r_ {h} ^ {- 1})} {r_ {E} r_ {h} ^ {2} + 4r_ {h} +6 + 4r_ {h} ^ {- 1} + r_ {E} ^ {- 1} r_ {h} ^ {- 2}}} { frac { epsilon} {h}}}

куда ${ displaystyle h = h_ {1} + h_ {2}}$ , ${ displaystyle r_ {h} = h_ {1} / h_ {2}}$ и ${ displaystyle r_ {E} = E_ {1} / E_ {2}}$ . С ${ Displaystyle (1 + х) + (1 + х) ^ {- 1} приблизительно 2 + O (х ^ {2})}$ для маленьких ${ displaystyle x}$ , который нечувствителен к ${ displaystyle x}$ из-за отсутствия членов первого порядка мы можем приблизить ${ displaystyle r_ {h} + r_ {h} ^ {- 1} приблизительно 2}$ за ${ displaystyle r_ {h}}$ близок к единице (и нечувствителен к ${ displaystyle r_ {h}}$ ), и ${ displaystyle r_ {E} r_ {h} ^ {2} + r_ {E} ^ {- 1} r_ {h} ^ {- 2} приблизительно 2}$ за ${ displaystyle r_ {E} r_ {h} ^ {2}}$ близок к единице (и нечувствителен к ${ displaystyle r_ {E} r_ {h} ^ {2}}$ ). Таким образом, если ${ displaystyle r_ {h}}$ или же ${ displaystyle r_ {E}}$ очень далеки от единицы, мы можем приблизиться ${ displaystyle kappa приблизительно 3 epsilon / 2h}$ .

История

Мемориал Джона Харрисона в Вестминстерском аббатстве, Лондон

Самая ранняя из сохранившихся биметаллических полос была изготовлена в восемнадцатом веке. часовщик Джон Харрисон Кому вообще приписывают его изобретение. Он сделал это для своего третьего морской хронометр (H3) 1759 г., чтобы компенсировать температурные изменения пружина баланса.^[4] Его не следует путать с биметаллическим механизмом коррекции теплового расширения в его маятник сетки. Его самые ранние образцы имели две отдельные металлические полосы, соединенные заклепками, но он также изобрел более позднюю технику прямого наплавления расплавленной латуни на стальную основу. Полоса такого типа была прикреплена к его последнему хронометристу H5. Изобретение Харрисона признано в мемориале ему в Вестминстерское аббатство, Англия.

Приложения

Этот эффект используется в ряде механических и электрических устройств.

Часы

Механический Часы механизмы чувствительны к изменениям температуры, так как каждая деталь имеет крошечный допуск, что приводит к ошибкам в измерении времени. Биметаллическая полоса используется для компенсации этого явления в механизме некоторых часов. Самый распространенный метод - использовать биметаллическую конструкцию для круглого обода балансир. Что он делает, так это перемещает груз в радиальном направлении, смотря на круговую плоскость вниз рядом с колесом баланса, изменяя затем момент инерции колеса баланса. По мере того как пружина, управляющая балансом, становится слабее с повышением температуры, баланс становится меньше в диаметре, чтобы уменьшить момент инерции и сохранить период колебаний (и, следовательно, хронометраж) постоянным.

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

Термостаты

Термостат с биметаллической спиралью на (2)

При регулировании отопления и охлаждения, термостаты которые работают в широком диапазоне температур. В них один конец биметаллической полосы механически закреплен и прикреплен к источнику электроэнергии, а другой (движущийся) конец несет электрический контакт. В регулируемых термостатах другой контакт позиционируется с помощью регулирующей ручки или рычага. Установленное таким образом положение контролирует регулируемую температуру, называемую уставка.

Некоторые термостаты используют ртутный переключатель подключен к обоим электрическим выводам. Угол всего механизма регулируется для управления уставкой термостата.

В зависимости от области применения более высокая температура может размыкать контакт (как в обогреватель контроль) или он может закрыть контакт (как в холодильник или же кондиционер ).

Электрические контакты могут управлять мощностью напрямую (как в бытовом утюге) или косвенно, переключая электрическую мощность через реле или поставка натуральный газ или же горючее через клапан с электрическим приводом. В некоторых обогревателях природного газа питание может быть обеспечено термопара который нагревается пилотной лампой (маленькое, непрерывно горящее пламя). В устройствах без запальных ламп для розжига (как в большинстве современных газовых сушилок для одежды, некоторых газовых обогревателях и декоративных каминах) питание контактов обеспечивается уменьшенной бытовой электрической мощностью, которая управляет реле, управляющим электронным зажигающим устройством, либо резистивным нагревателем, либо с электрическим приводом Искра генерирующее устройство.

Термометры

Циферблат с прямой индикацией термометр, распространенный в бытовых устройствах (таких как термометр для террасы или термометр для мяса), использует биметаллическую полоску, свернутую в спираль, в ее наиболее распространенной конструкции. Катушка превращает линейное движение расширения металла в круговое движение благодаря геликоидальной форме, которую она рисует. Один конец катушки прикреплен к корпусу устройства в качестве точки фиксации, а другой приводит в движение указательную стрелку внутри круглого индикатора. Биметаллическая полоса также используется в записывающий термометр. Термометр Бреге состоит из трехметаллической спирали для получения более точного результата.

Тепловой двигатель

Тепловые двигатели не самые эффективные, а при использовании биметаллических лент КПД тепловых двигателей еще ниже, так как нет камеры для хранения тепла. Кроме того, биметаллические полосы не могут обеспечить прочность при перемещении, причина в том, что для достижения разумных изгибов (перемещений) обе металлические полосы должны быть тонкими, чтобы разница между расширением была заметной. Таким образом, металлические полосы в тепловых двигателях используются в основном в простых игрушках, которые были созданы, чтобы продемонстрировать, как этот принцип можно использовать для управления двигателем. Тепловой двигатель.^{[нужна цитата]}

Электрические приборы

Биметаллические полосы используются в миниатюре. Автоматические выключатели для защиты цепей от перегрузки по току. Катушка с проволокой используется для нагрева биметаллической ленты, которая изгибается и приводит в действие рычажный механизм, размыкающий пружинный контакт. Это прерывает цепь и может быть сброшено, когда биметаллическая полоса остынет.

Биметаллические ленты также используются в реле с выдержкой времени, газовая духовка предохранительные клапаны, термические мигалки для пожилых указатель поворота лампы и стартеры люминесцентных ламп. В некоторых устройствах тока, протекающего непосредственно через биметаллическую ленту, достаточно для ее нагрева и непосредственного срабатывания контактов. Он также использовался в механических регуляторах напряжения PWM для автомобильных применений.^[5]

Смотрите также

Термовыключатель

Примечания

^ Собель, Дава (1995). Долгота. Лондон: Четвертое сословие. п. 103. ISBN 0-00-721446-4. Одно из изобретений, которые Харрисон представил в H-3 ... называется ... биметаллической полосой.
^ Клайн, TW. «Остаточные напряжения в поверхностных покрытиях и их влияние на межфазное нарушение сцепления». Ключевые инженерные материалы (Швейцария). Vol. 116–117, с. 307–330. 1996 г.
^ Тимошенко, Ж. Опт. Soc. Являюсь. 11, 233 (1925)
^ Собель, Дава (1995). Долгота. Лондон: Четвертое сословие. п. 103. ISBN 0-00-721446-4. Одно из изобретений, которые Харрисон представил в H-3 ... называется ... биметаллической полосой.
^ https://www.minimania.com/Smiths_Voltage_Stabilizers

внешняя ссылка

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

[2] Клайн, TW. «Остаточные напряжения в поверхностных покрытиях и их влияние на межфазное нарушение сцепления». Ключевые инженерные материалы (Швейцария). Vol. 116–117, с. 307–330. 1996 г.

[3] Тимошенко, Ж. Опт. Soc. Являюсь. 11, 233 (1925)

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

[5] ttps://www.minimania.com/Smiths_Voltage_Stabilizers

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]