Bimetalni termometri sastoji od dvije trake od različitih materijala spojeni zajedno, obično u obliku svitka. Na grijanje coil će okretati i igla postavljena na jednom kraju može se koristiti za označavanje temperaturu na brojčaniku. Bimetalna traka također se naširoko koriste kao kontrolne uređaje za aktiviranje strojeva na određenoj temperaturi. Ovo poglavlje uvodi fizičke fenomene koji su uključeni, praktično modeliranje bimetalnih traka i glavni konfiguraciju i koristi bimetalnih termometara.

3.1 Uvod

Bimetalni termometri koriste dvije trake materijala s različitim koeficijentima toplinskog širenja koji su spojeni zajedno. Kada temperatura skupštine mijenja, u nedostatku vanjske sile, traka će savijati ili iskriviti zbog razlike u ekspanziji između dva materijala. U svojoj

 Materijal

Materijal B 

Neograničena proširenjaIsprekidane linije pokazuju pretjerana ekstenzije 

Friza bonded zajedno

Nesputan oblik na grijanje

Diferencijalni ekspanzija uzrokuje zbor warp

Friza fiksne na jednom krajuDiferencijalni ekspanzija uzrokuje traka zavoja u jednom smjeruSlika 3.1 Simple konzola tipa sklop za bimetalne trake 

Tablica 3.1 Svojstva odabranih materijala koji se koriste u bimetalnih elemenata. Nakon Stephenson sur. (1999), podaci iz Meijer (1994), Goodfellows katalog (2000)

 Materijal Gustoća

(Kg/m3) Youngov modul (GPa) Toplinski kapacitet (J / kg • K) Koeficijent toplinskog širenja,10-6 K-1 Toplinska vodljivost (W / m • K) 

Al270061-7189624237Brass 19Cu 8.954 129,8 383,1 17 386Cr 7100 279 518 6,5 94Au 19.300 78,5 129 14,1 318Fe 7870 211,4 444 12,1 80,4Ni 8.906 199,5 446 13,3 90Ag 10.524 82,7 234,0 19,1 419Sn 7304 49,9 226,5 23,5 64Ti 4.500 120,2 523 8,9 21,9W 19350 411 134,4 4,5 163Invar 8000 140-150 1,7-2,0 13(Fe64/Ni36)Si 2340 113 703 4,7-7,6 80-150n-Si 2328 130-190 700 2,6 150p-Si 2300 150-170 770 30Si3N4 3100 304 600-800 3,0 9-30SiO2 2200 57-85 730 0,5 1,4

Najjednostavniji oblik trake materijala koriste podržan na jednom kraju kao što je prikazano na slici 3.1. Kada je sklop zagrijava će deformirati u obliku luka. Da bi se povećala savijanje skupštine, materijali s bitno različitim koeficijentima toplinske ekspanzije su odabrani. Tablica 3.1 prikazuje neke od materijala koji se koriste u bimetalnih termometara. Tradicionalno, kao i ime implicira, samo metali su korišteni, kao što su bakar i željezo ili invar, željezo-nikal legure s vrlo niskim koeficijentom toplinske ekspanzije, i željeza. Međutim, bilo koja dva Različiti materijali mogu se koristiti u teoriji i korištenje keramike i poluvodiča u obliku traka diferencijal ekspanzija je pokazao (O'Connor, 1995).

3,2 bimetalna traka modeliranje

Opća jednadžba definiranje zakrivljenost bimetalnim strip zagrijava od T1 do T2 u nedostatku vanjskih sila daje Eskin (1940) i Timošenko (1953): 

 1 1- =R2 R1 6 (1 + m) 2 (2 - 1) (T2 - T1)t [3 (1 + m) 2 + (1 + MN) (m 2 + 1/mn)] 

(3.1) 

gdje je: 1/R1 = početna zakrivljenost trake na temperature T1 (m-1) 1 = koeficijent toplinskog širenja materijala s donjim ekspanzivnost (K-1) 2 = koeficijent toplinskog širenja materijala s višim ekspanzivnost (K-1)n = E1/E2 gdje E1 i E2 su Youngov moduli za visoke i niske ekspanzivnost materijali odnosnom = t1/t2 gdje T1 i T2 su odnosno debljini od metalnih trakatt = t1 + t2, ukupna debljina trake (m)T1 = početna temperatura (K)T2 = konačna temperatura (K)

a širina trake uzima kao jedinstvo.

U slučaju jednostavno podržanih krajevima i uz pretpostavku da je progib i debljine manje od 10% od dužine trake zatim otklon sredini trake aproksimira

 L 2d ==8R 3L2 (1 + m) 2 (2 - 1) (T2 - T1)4t [3 (1 + m) 2 + (1 + MN) (m 2 + 1/mn)] 

(3.2) 

gdje je: L = duljina bimetalne trake (m)d = maksimalno bočno otklon trake (m).

Primjer 3,1

100 mm dugo bimetalna traka je formirana iz dva sloja materijala pomoću željeza za visoke ekspanzivnost sloja i invar za low-ekspanzivnost sloja. Debljina svakog sloja je 0,5 mm, a traka je jednostavno podržan na svakom kraju. Odrediti otklon u središtu trake ako traka zagrijava od 15 ° C do 100 ° C.

Otopina

Otklon će biti maksimalno na sredini trake je naveden prema jednadžbi (3.2). Iz tablice 3.1, Youngov modul za invar je 140 × 109 Pa i za željezo je 211 × 109 Pa koeficijent toplinske ekspanzije za invar je1,7 × 10-6 K-1 i za željezo je 12,1 × 10-6 K-1. Za parametri dati,m = t1/t2 = 1, n = E1/E2 = 0,664, t = t1 + t2 = 0,001 m. Stoga 

3 (1 + 1) 2 (0.12) (12,1 × 10 - 6-1,7 × 10-6) (100 - 15)d =4 × 0,001 [3 (1 + 1) 2 + (1 + 0,664) (12 + 1/0.664)]

= 1,64 × 10-3 m = 1,64 mm

U slučaju konzolni bimetalne trake s jednom kraju fiksirana, a drugi kraj slobodno kretati onda otklon slobodnom kraju aproksimira 

L 2d ==8R 

3L2 (1 + m) 2 (2 - 1) (T2 - T1)t [3 (1 + m) 2 + (1 + MN) (m 2 + 1/mn)] 

(3.3) 

Primjer 3,2

30 mm duga bimetalna traka je fiksiran na jednom kraju u obliku konzolni zrake. To je formirana od dva sloja materijala pomoću željeza za visoke ekspanzivnost sloja i invar za niske ekspanzivnost-sloj. Debljina svakog sloja je0,6 mm. Odrediti otklon na kraju trake ako traka zagrijava od 15 ° C do 40 ° C.

Otopina

Otklon će biti maksimalno na kraju trake i daje jednadžbi (3.3). Iz tablice 3.1, Youngov modul za invar je 140 × 109 Pa i za željezo je 211 × 109 Pa koeficijent toplinske ekspanzije za invar je1,7 × 10-6 K-1 i za željezo je 12,1 × 10-6 K-1. Za parametri dati,m = t1/t2 = 1, n = E1/E2 = 0,664, t = t1 + t2 = 0,0012 m. Stoga

3 (0,032) (1 + 1) 2 (12,1 × 10 - 6-1,7 × 10-6) (40 - 15)d =0,0012 [3 (1 + 1) 2 + (1 + 0,664) (12 + 1/0.664)]

= 1,45 × 10 - 4 m = 0,145 mm

3,3 Standardni materijali

Standardi su dostupni za bimetalnih traka, kao što su DIN 1715, dio 1 (1983) i ASTM B388. ASTM B388 definira konstanta naziva flexivity, K, koji je dao

 3k = (2 - 1) =2 t / R

T2 - T1 

(3.4) 

, a može se definirati kao promjenu zakrivljenosti bimetalne trake za po jedinici promjene temperature puta debljine. U Europi flexivity je poznat kao 

specifičan zakrivljenost. U jednadžbi (3.2) i (3.3) magnitude omjera n ima malo utjecaja na rezultat otklona za raspon materijala najčešće se koriste u bimetalnih traka. Pretpostavljajući vrijednost jedinstva za n omogućuje jednadžba (3.3) biti pojednostavljen

 KL2d =2t 

(T2 - T1) (3.5)

 

Vrijednosti za flexivity može utvrditi testiranjem ASTM B388 i odabrane vrijednosti navedene su u tablici 3.2 za ASTM oznaku materijala i Tablica 3.3 za DIN standardnih materijala. Podaci o sastavu raznih legura se koriste u bimetalnih traka je u tablici 3,4 i razmatranja u odabiru bimetalnim termometru se raspravljalo Divita (1994).

Tablica 3.2 Odabrane ASTM bimetalni materijala (ASTM B388)

 ASTM putovanja Flexivity(10-6K-1) Maksimalna osjetljivost temperature (° C) Maksimalna radna temperatura(° C) 

TM127,0 ± 5%-18 Do 149538TM2 38,7 ± 5% -18 na 204 260TM5 11,3 ± 6% 149-454 538TM10 23,6 ± 6% -18 do 149 482TM15 26,6 ± 5,5% -18 do 149 482TM20 25,0 ± 5% -18 do 149 482

Tablica 3.3 Odabrane DIN bimetalni materijali (DIN 1715)

 DIN Vrsta Flexivity(10-6K-1) Linearni niz(° C) Maksimalna radna temperatura(° C) 

TB096518,6 ± 5%-20 Do 425450TB1075 20,0 ± 5% -20 do 200 550TB1170A 22,0 ± 5% -20 do 380 450TB1577A 28,5 ± 5% -20 do 200 450TB20110 39,0 ± 5% -20 do 200 350 

Tablica 3.4 Aluminijski sastav za odabranu ASTM i DIN bimetalnih materijala (HE = visoki koeficijent toplinske ekspanzije materijala, LE = niska koeficijent toplinske ekspanzije materijala). (ASTM B 388, DIN 1715 Dio 1)

NiCrMinesotaCuFeCo

TM1 HE223--75-TM1 LE 36 --- 64 -TM2 HE 10 - 72 18 -TM2 LE 36 --- 64 -TM5 HE 25 8,5-66,5 -TM5 LE 50 --- 50 -TM10 HE 22 3 - 75 -TM10 LE 36 --- 64 -TM15 HE 22 3 - 75 -TM15 LE 36 --- 64 -TM20 HE 18 11,5-70,5 -TM20 LE 36 --- 64 -TB0965 HE 20-6 - 74 -TB0965 LE 46 --- 54 -TB1075 HE 16 11 - 73 -TB1075 LE 20 8-46 26TB1170A HE 20-6 - 74 -TB1170A LE 42 --- 58 -TB 1577A HE 20-6 - 74 -TB1577A LE 36 --- 64 -TB20110 HE 10-16 - 65,5-79,5 18-10 0,5

TB20110 LE 36 --- 64 -

3,4 bimetalni termometar izgradnja

Spirala ili spiralni konfiguracija bimetalne trake je korisno za pokazivanje temperature na brojčaniku. Spirala služi kako bi se omogućilo dugo duljinu bimetalne trake unutar zatvorenoj geometriji i stoga visoku osjetljivost. Ovaj oblik obično se koristi u vanjskom termometara. Ovi imaju tendenciju da se robusni uređaji i koriste se u aplikacijama gdje drugi senzori mogli uspjeti. Oni imaju prednost bez potrebe za napajanje i ne pate od krhkosti tekućine u staklenim termometrima, na primjer. U biranjem tipa termometra jedan kraj od bimetalne trake je pričvršćen na zatvorenom kraju cijevi od nehrđajućeg čelika. Bimetalna traka je rana u spirale, tako da je otklon trake s temperaturom uzrokuje rotaciju slobodnog kraja. To je priključen na osovinu kazaljke i skale daje na Facia fiksirana na čelične cijevi ukazuju na temperaturu (Slika 3.2). Promjeri za komercijalne mjerila variraju od 25 mm do 125 mm s matičnim duljine do 610 mm. 

 Slika 3.2 Dial-type bimetalnim termometar s podesivim stabljike i biranje omogućiti fleksibilnost u instalaciji i gledanja. Fotografija ljubaznošću WIKA Croatia Wiegand GmbH & Co

Kutni pomak bimetalnim svitka daje

 1 1   = +2 R1 

  L (3,6) 

gdje je: L = duljina trake (m)R1 = početna radijus (pretpostaviti da je konstantno u duljini od svitka) (m)R2 = konačna radijus (pretpostaviti da je konstantno u duljini od svitka) (m).

U odnosu na posebne otklona, = kutni otklon po stupanj porasta temperature (= k / 2) i jednadžbe (3.6) može se pisati kao

 2aL   =t 

(T2 - T1) 360

2 

(3.7) 

Nesigurnost tipičnog komercijalnog proizvoda je 1-2% od full-scale otklona s operativnom rasponu od -70 do 600 ° C. Međutim, velika dužina i tanki dio može se koristiti za osigurati visoku razinu osjetljivosti i Huston (1962) pokazao uređaj s osjetljivošću od 0,0035 ° C / mm i 

ponovljivost 0,027 ° C. Dok bimetalni termometri imaju zasluge se lako čitati, može se koristiti za pružiti i pokazatelj temperature i djelovati kao pokretača, relativno jeftin i ne zahtijevaju neovisno napajanje podložne su drift, relativno su netočni u odnosu na , kažu, termoparova i industrijska PRT i ne može osigurati daljinsko pokazivanje temperature.