Биметаллическая пластина является теплоизолятором

Биметалли́ческая пласти́на — пластина, изготовленная из биметалла или из механически соединённых кусков двух различных металлов. Как правило, используется как основная часть термомеханического датчика.

Содержание

Устройство [ править | править код ]

Биметаллическая пластина представляет собой отрезок ленты, изготовленной из биметалла. Один конец ленты, как правило, неподвижно закреплён в устройстве, а другой — перемещается в зависимости от температуры пластины.

Встречаются устройства, состоящие из двух пластин разнородных металлов, закреплённых одними концами и соединённых (клёпкой, пайкой или сваркой) у других концов. При изменении температуры соединённый конец пластин перемещается.

Работоспособны в очень широком диапазоне температур [1] .

Применение [ править | править код ]

Термостаты и защитные устройства [ править | править код ]

Изгибающаяся биметаллическая пластина управляет электрическими контактами, замыкающими или размыкающими цепь подогревателя. (В случае защитных устройств — отключающие электропитание нагрузки).

Могут сводить-разводить контакты постепенно (дешёвая ненадёжная конструкция — контакты искрят и обгорают), а могут срабатывать скачком (механическая бифуркация), сразу перемещая контакт на несколько миллиметров (щелчки от таких переключений слышны при работе утюгов, чайников и других подобных устройств).

Применяются как защитные устройства: для защиты от перегрева (например в электрочайнике) или от превышения силы тока (предохранители). могут быть как самовосстанавливающимися, так и требующими вмешательства персонала (предполагается, что персонал найдёт и устранит причину неполадки, и только потом вернёт предохранитель во включённое состояние).

Генераторы импульсов и реле времени [ править | править код ]

Биметаллическая пластина с контактом и с подогревателем (применяется обмотка из высокоомного провода либо сама пластина, по которой пропускают ток).

Применяется для переключения режимов работы устройств после их включения (например, в стартёрах люминесцентных ламп и электромоторов). В этом случае нагрев пластины продолжается всё время, пока устройство включено.

Измерительные приборы [ править | править код ]

Разновидность биметаллического термометра с подогревателем. В зависимости от способа включения может быть вольтметром или амперметром. При работе потребляет много энергии, однако совершенно не содержит трущихся механических частей. Просты, вибростойки, мало чувствительны к загрязнениям, как правило, самовосстанавливаются при отсыревании. До сих пор широко применяются в автомобильной электронике.

Часы [ править | править код ]

Применяются для термокомпенсации хода часов. Могут изменять диаметр разрезного обода баланса, сделанного из биметаллической пластины, либо изменять действующую длину пружины баланса.

Термометры [ править | править код ]

Длинная свёрнутая спиралью лента из биметалла закрепляется в центре. Другой (внешний) конец спирали перемещается вдоль шкалы, размеченной в градусах. Такой термометр, в отличие от жидкостного (например, ртутного) совершенно нечувствителен к изменениям внешнего давления и механически более прочен.

В термографах биметаллическая пластина через систему рычагов управляет пером самописца, рисующим график изменения температуры (применяется в метеорологии).Например, в регуляторе температуры биметаллическая пластина, нагреваясь до предельно допустимой температуры, определеленным образом изгибается и размыкает цепь . В результате этого дальнейшее нагревание не происходит.

Тепловые двигатели [ править | править код ]

Преобразование разности температур в механическую работу. Существуют простые игрушки для демонстрации возможности работы таких двигателей [2] .

Устройства для микроперемещений [ править | править код ]

Предметы (типа «препарата», рассматриваемого в микроскоп) с помощью биметаллических пластин с подогревателями можно перемещать в небольших пределах. Величина перемещения регулируется дистанционно изменением тока через подогреватели.

Недостаток: величина перемещения непостоянна и зависит от условий охлаждения (окружающей температуры, сквозняков и т. п.)

В судостроении [ править | править код ]

Биметаллические (а также триметаллические) пластины используются для сварки разнородных металлов в целях предотвращения контактной (гальванической) коррозии. В судостроении применяются как для стыковки алюминиевой надстройки со стальным корпусом, так и для соединения декоративных элементов из нержавеющей стали с алюминиевой конструкцией.

Неметаллические аналоги [ править | править код ]

Для работы в агрессивных средах свойствами, подобными биметаллам, обладают спаи из стёкол или керамики с различным КТР,

Расчёт пластины [ править | править код ]

Изгиб (кривизна кривой, обратная величина к радиусу изгиба) биметаллической пластины [3] :

κ = 6 E 1 E 2 ( h 1 + h 2 ) h 1 h 2 ε E 1 2 h 1 4 + 4 E 1 E 2 h 1 3 h 2 + 6 E 1 E 2 h 1 2 h 2 2 + 4 E 1 E 2 h 2 3 h 1 + E 2 2 h 2 4 <displaystyle kappa =<frac <6E_<1>E_<2>(h_<1>+h_<2>)h_<1>h_<2>varepsilon ><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>>>>

• ε = ( α 1 − α 2 ) Δ T <displaystyle varepsilon =(alpha _<1>-alpha _<2>)Delta T>;
• E 1 <displaystyle E_<1>>— модуль Юнга материала 1 (здесь и ниже для материала 2 индексы, соответственно, 2);
• h 1 <displaystyle h_<1>>— толщина материала 1;
• α 1 <displaystyle alpha _<1>>— коэффициент теплового расширения материала 1;
• Δ T <displaystyle Delta T>— разность между температурой, при которой вычисляется изгиб, и температурой, при которой изгиб отсутствует.

Выражение кривизны приведено для случая равенства нулю коэффициентов Пуассона сопрягаемых пластин. Общий случай рассмотрен в работе [5].

История [ править | править код ]

По-видимому, биметаллические пластины были созданы в XVIII веке в Англии часовщиком Джоном Харрисоном для термокомпенсации его морского хронометра «H3». [4] .

Примечания [ править | править код ]

1. ↑Биметаллическая лента в жидком азоте (англ.)
2. ↑Биметаллические качели (фото)
3. ↑Clyne, TW. «Res >(недоступная ссылка) (англ.) , pdf, 36KB
4. ↑ Sobel, Dava. «Longitude», London, Fourth Estate, 1995, ISBN 0-00-721446-4, стр. 103 (англ.)

[5] Глаголев В.В., Маркин А.А., Пашинов С.В. Биметаллическая пластина в однородном температурном поле // Механика композиционных материалов и конструкций. – 2017. – Т. 23. – № 3. – С. 331-343.

Биметалли́ческая пласти́на — пластина, изготовленная из биметалла или из механически соединённых кусков двух различных металлов. Как правило, используется как основная часть термомеханического датчика.

Содержание

Устройство [ править | править код ]

Биметаллическая пластина представляет собой отрезок ленты, изготовленной из биметалла. Один конец ленты, как правило, неподвижно закреплён в устройстве, а другой — перемещается в зависимости от температуры пластины.

Встречаются устройства, состоящие из двух пластин разнородных металлов, закреплённых одними концами и соединённых (клёпкой, пайкой или сваркой) у других концов. При изменении температуры соединённый конец пластин перемещается.

Работоспособны в очень широком диапазоне температур [1] .

Применение [ править | править код ]

Термостаты и защитные устройства [ править | править код ]

Изгибающаяся биметаллическая пластина управляет электрическими контактами, замыкающими или размыкающими цепь подогревателя. (В случае защитных устройств — отключающие электропитание нагрузки).

Могут сводить-разводить контакты постепенно (дешёвая ненадёжная конструкция — контакты искрят и обгорают), а могут срабатывать скачком (механическая бифуркация), сразу перемещая контакт на несколько миллиметров (щелчки от таких переключений слышны при работе утюгов, чайников и других подобных устройств).

Применяются как защитные устройства: для защиты от перегрева (например в электрочайнике) или от превышения силы тока (предохранители). могут быть как самовосстанавливающимися, так и требующими вмешательства персонала (предполагается, что персонал найдёт и устранит причину неполадки, и только потом вернёт предохранитель во включённое состояние).

Генераторы импульсов и реле времени [ править | править код ]

Биметаллическая пластина с контактом и с подогревателем (применяется обмотка из высокоомного провода либо сама пластина, по которой пропускают ток).

Применяется для переключения режимов работы устройств после их включения (например, в стартёрах люминесцентных ламп и электромоторов). В этом случае нагрев пластины продолжается всё время, пока устройство включено.

Измерительные приборы [ править | править код ]

Разновидность биметаллического термометра с подогревателем. В зависимости от способа включения может быть вольтметром или амперметром. При работе потребляет много энергии, однако совершенно не содержит трущихся механических частей. Просты, вибростойки, мало чувствительны к загрязнениям, как правило, самовосстанавливаются при отсыревании. До сих пор широко применяются в автомобильной электронике.

Часы [ править | править код ]

Применяются для термокомпенсации хода часов. Могут изменять диаметр разрезного обода баланса, сделанного из биметаллической пластины, либо изменять действующую длину пружины баланса.

Термометры [ править | править код ]

Длинная свёрнутая спиралью лента из биметалла закрепляется в центре. Другой (внешний) конец спирали перемещается вдоль шкалы, размеченной в градусах. Такой термометр, в отличие от жидкостного (например, ртутного) совершенно нечувствителен к изменениям внешнего давления и механически более прочен.

В термографах биметаллическая пластина через систему рычагов управляет пером самописца, рисующим график изменения температуры (применяется в метеорологии).Например, в регуляторе температуры биметаллическая пластина, нагреваясь до предельно допустимой температуры, определеленным образом изгибается и размыкает цепь . В результате этого дальнейшее нагревание не происходит.

Тепловые двигатели [ править | править код ]

Преобразование разности температур в механическую работу. Существуют простые игрушки для демонстрации возможности работы таких двигателей [2] .

Устройства для микроперемещений [ править | править код ]

Предметы (типа «препарата», рассматриваемого в микроскоп) с помощью биметаллических пластин с подогревателями можно перемещать в небольших пределах. Величина перемещения регулируется дистанционно изменением тока через подогреватели.

Недостаток: величина перемещения непостоянна и зависит от условий охлаждения (окружающей температуры, сквозняков и т. п.)

В судостроении [ править | править код ]

Биметаллические (а также триметаллические) пластины используются для сварки разнородных металлов в целях предотвращения контактной (гальванической) коррозии. В судостроении применяются как для стыковки алюминиевой надстройки со стальным корпусом, так и для соединения декоративных элементов из нержавеющей стали с алюминиевой конструкцией.

Неметаллические аналоги [ править | править код ]

Для работы в агрессивных средах свойствами, подобными биметаллам, обладают спаи из стёкол или керамики с различным КТР,

Расчёт пластины [ править | править код ]

Изгиб (кривизна кривой, обратная величина к радиусу изгиба) биметаллической пластины [3] :

κ = 6 E 1 E 2 ( h 1 + h 2 ) h 1 h 2 ε E 1 2 h 1 4 + 4 E 1 E 2 h 1 3 h 2 + 6 E 1 E 2 h 1 2 h 2 2 + 4 E 1 E 2 h 2 3 h 1 + E 2 2 h 2 4 <displaystyle kappa =<frac <6E_<1>E_<2>(h_<1>+h_<2>)h_<1>h_<2>varepsilon ><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>>>>

• ε = ( α 1 − α 2 ) Δ T <displaystyle varepsilon =(alpha _<1>-alpha _<2>)Delta T>;
• E 1 <displaystyle E_<1>>— модуль Юнга материала 1 (здесь и ниже для материала 2 индексы, соответственно, 2);
• h 1 <displaystyle h_<1>>— толщина материала 1;
• α 1 <displaystyle alpha _<1>>— коэффициент теплового расширения материала 1;
• Δ T <displaystyle Delta T>— разность между температурой, при которой вычисляется изгиб, и температурой, при которой изгиб отсутствует.

Выражение кривизны приведено для случая равенства нулю коэффициентов Пуассона сопрягаемых пластин. Общий случай рассмотрен в работе [5].

История [ править | править код ]

По-видимому, биметаллические пластины были созданы в XVIII веке в Англии часовщиком Джоном Харрисоном для термокомпенсации его морского хронометра «H3». [4] .

Примечания [ править | править код ]

1. ↑Биметаллическая лента в жидком азоте (англ.)
2. ↑Биметаллические качели (фото)
3. ↑Clyne, TW. «Res >(недоступная ссылка) (англ.) , pdf, 36KB
4. ↑ Sobel, Dava. «Longitude», London, Fourth Estate, 1995, ISBN 0-00-721446-4, стр. 103 (англ.)

[5] Глаголев В.В., Маркин А.А., Пашинов С.В. Биметаллическая пластина в однородном температурном поле // Механика композиционных материалов и конструкций. – 2017. – Т. 23. – № 3. – С. 331-343.

При изменении температуры меняются размеры твердых тел,Биметаллическая пластина является теплоизолятором,Теплопроводность — переход теплоты с наиболее теплой части тела на холодную.
Расширение тел при нагревании называется испарением