Bimetallisk strimmel - Bimetallic strip
En bimetallisk strimmel bruges til at omdanne en temperaturændring til mekanisk forskydning. Strimlen består af to strimler af forskellige metaller, der ekspanderer med forskellige hastigheder, når de opvarmes. De forskellige udvidelser tvinger den flade strimmel til at bøje en vej, hvis den opvarmes, og i den modsatte retning, hvis den afkøles under dens oprindelige temperatur. Metallet med den højere termiske ekspansionskoefficient er på ydersiden af kurven, når strimlen opvarmes og på indersiden, når den afkøles.
Opfindelsen af den bimetalliske stribe krediteres generelt John Harrison , en urmager fra det attende århundrede, der gjorde det til sit tredje marine kronometer (H3) fra 1759 for at kompensere for temperaturinducerede ændringer i balancefjederen . Harrisons opfindelse anerkendes i mindesmærket for ham i Westminster Abbey , England.
Denne effekt bruges i en række mekaniske og elektriske apparater.
Egenskaber
Strimlen består af to strimler af forskellige metaller, der ekspanderer med forskellige hastigheder, når de opvarmes, normalt stål og kobber , eller i nogle tilfælde stål og messing . Strimlerne sættes sammen i hele deres længde ved nitning , lodning eller svejsning . De forskellige udvidelser tvinger den flade strimmel til at bøje en vej, hvis den opvarmes, og i den modsatte retning, hvis den afkøles under dens oprindelige temperatur. Metallet med den højere termiske ekspansionskoefficient er på ydersiden af kurven, når strimlen opvarmes og på indersiden, når den afkøles. Strimlens forskydning til siden er meget større end den lille ekspansion i længderetningen i et af de to metaller.
I nogle applikationer bruges bimetalstrimlen i flad form. I andre er den pakket ind i en spole for kompakthed. Den større længde af den spolede version giver forbedret følsomhed.
Den krumning af en bimetallisk stråle kan beskrives ved følgende ligning:
hvor og er krumningsradius, og er Youngs modul og højde (tykkelse) af materiale en og og er Youngs modul og højde (tykkelse) af materiale to. er den uegnede stamme, beregnet ved:
hvor α 1 er termisk ekspansionskoefficient for materiale et og α 2 er termisk ekspansionskoefficient for materiale to. ΔT er den aktuelle temperatur minus referencetemperaturen (temperaturen hvor strålen ikke har bøjning).
Afledning af krumningsradius | |
---|---|
Lad laget på den konkave side være lag 1 og på den konvekse side være lag 2, og lad tykkelserne af hver være og hhv. Lag 1 er i spænding med en kraft udad i hver ende af , mens lag 2 komprimeres med en kraft indad i hver ende af . Fordi systemet er i ligevægt . I hver ende af lag 1 er der et bøjningsmoment og på samme måde for lag 2. Hvis er krumningsradius, så og hvor er bøjningsstivheden , er Youngs modul og er det andet arealmoment . For et rektangulært tværsnit med en bredde , og . Parret fremstilles ved de kræfter, der virker langs midten af linjer af hvert lag og separeret ved er , og igen, fordi strimlen er i ligevægt, og der er ingen eksterne påførte drejningsmomenter, . Derfor
Vi betragter nu kontaktfladen mellem de to lag. Længden af denne overflade for lag 1 er, hvor er temperaturen, hvor strimlen er lige, er lagets længde, når temperaturen (dvs. når den er lige og uden spænding fra lag 2), og er termisk koefficient ekspansion (den fraktionerede stigning i længde pr. enhedsstigning i temperatur). Det andet udtryk her er klart den fraktionerede ændring i længden, der frembringes af den termiske ekspansion, det tredje udtryk er belastningen forårsaget af spændingen på grund af kraften, der virker over endeområdet (positivt, fordi kraften er træk). Det sidste udtryk er den ekstra længde af kontaktfladen i forhold til midterlinjen i lag 1 (positiv, fordi kontaktfladen er den ydre, konvekse overflade). Tilsvarende er længden af denne overflade for lag 2 (minustegn, fordi kraften er kompressiv, og kontakten er på den indre overflade). Da overfladerne er bundet,
Omarrangering for at udtrække , indsamle termer og eliminere ved hjælp af ligningen ovenfor producerer ligningen for i hovedartiklen. |
Der kan opnås indsigt, hvis det netop givne resultat ganges på toppen og bunden med
hvor , og . Da for små , som er ufølsom overfor på grund af manglen af første ordens led, så vi kan nærme for tæt på én (og ufølsom over for ), og for tæt på én (og ufølsomme over for ). Medmindre vi er eller er meget langt fra enhed, kan vi således tilnærme os .
Historie
Den tidligste overlevende bimetalliske strimmel blev lavet af det attende århundrede urmager John Harrison, der generelt krediteres med dens opfindelse. Han gjorde det til sit tredje marine kronometer (H3) fra 1759 for at kompensere for temperaturinducerede ændringer i balancefjederen . Det skal ikke forveksles med den bimetalliske mekanisme til korrektion for termisk ekspansion i sit gridiron -pendul . Hans tidligste eksempler havde to individuelle metalstrimler forbundet med nitter, men han opfandt også den senere teknik til direkte at smelte smeltet messing på et stålsubstrat. En strimmel af denne type blev monteret på hans sidste tidtager, H5. Harrisons opfindelse anerkendes i mindesmærket for ham i Westminster Abbey , England.
Ansøgninger
Denne effekt bruges i en række mekaniske og elektriske apparater.
Ure
Mekaniske urmekanismer er følsomme over for temperaturændringer, da hver del har en lille tolerance, og det fører til fejl ved tidshold. En bimetallisk strimmel bruges til at kompensere dette fænomen i mekanismen for nogle ure. Den mest almindelige metode er at bruge en bimetallisk konstruktion til balancehjulets cirkulære kant . Hvad den gør, er at flytte en vægt på en radial måde og se på det cirkulære plan ned ved balancehjulet, hvilket varierer derefter træghedsmomentet i balancehjulet. Da fjederen, der styrer balancen, bliver svagere med den stigende temperatur, bliver balancen mindre i diameter for at reducere træghedsmomentet og holde oscillationsperioden (og dermed tidtagningen) konstant.
I dag bruges dette system ikke længere, da udseendet af lavtemperaturkoefficientlegeringer som nivarox , parachrom og mange andre afhængigt af hvert mærke.
Termostater
Ved regulering af opvarmning og køling anvendes termostater, der opererer over en lang række temperaturer. I disse er den ene ende af den bimetalliske strimmel mekanisk fastgjort og fastgjort til en elektrisk strømkilde, mens den anden (bevægelige) ende bærer en elektrisk kontakt. I justerbare termostater er en anden kontakt placeret med en reguleringsknap eller håndtag. Den så indstillede position styrer den regulerede temperatur, kaldet setpunktet .
Nogle termostater bruger en kviksølvafbryder tilsluttet begge elektriske ledninger. Vinklen på hele mekanismen er justerbar for at styre termostatens setpunkt.
Afhængig af applikationen kan en højere temperatur åbne en kontakt (som i en varmelegeme ), eller den kan lukke en kontakt (som i et køleskab eller klimaanlæg ).
De elektriske kontakter kan styre strømmen direkte (som i et husholdningsjern) eller indirekte og skifte elektrisk strøm gennem et relæ eller forsyning af naturgas eller fyringsolie gennem en elektrisk betjent ventil. I nogle naturgasvarmere kan strømmen forsynes med et termoelement , der opvarmes af et pilotlys (en lille, konstant brændende flamme). I apparater uden pilotlys til tænding (som i de fleste moderne gastøjstørretumblere og nogle naturgasvarmere og dekorative pejse) leveres strømmen til kontakterne ved reduceret husstands elektrisk strøm, der driver et relæ, der styrer en elektronisk tænding, enten en modstandsvarmer eller en elektrisk drevet gnistgenererende enhed.
Termometre
Et direkte indikator -termometer , der er almindeligt i husholdningsapparater (f.eks. Et terrassetermometer eller et kødtermometer), bruger en bimetallisk strimmel pakket ind i en spole i sit mest almindelige design. Spolen ændrer den lineære bevægelse af metaludvidelsen til en cirkulær bevægelse takket være den helikoidform, den tegner. Den ene ende af spolen er fastgjort til enhedens hus som et fixpunkt, og den anden driver en indikatornål inde i en cirkulær indikator. En bimetalstrimmel bruges også i et optagelsestermometer . Breguet's termometer består af en tri-metallisk helix for at få et mere præcist resultat.
Varm motor
Varmemotorer er ikke de mest effektive, og ved brug af bimetalliske strimler er varmemotorernes effektivitet endnu lavere, da der ikke er noget kammer til at indeholde varmen. Desuden kan de bimetalliske strimler ikke producere styrke i sine bevægelser, grunden er, at for at opnå rimelige bøjninger (bevægelser) skal begge metalliske strimler være tynde for at gøre forskellen mellem ekspansionen mærkbar. Så anvendelserne til metalliske strimler i varmemotorer er for det meste i simpelt legetøj, der er blevet bygget for at demonstrere, hvordan princippet kan bruges til at drive en varmemotor .
Elektriske apparater
Bimetal strimler anvendes i miniature afbrydere til at beskytte kredsløb fra overskydende strøm. En trådspole bruges til at opvarme en bimetalstrimmel, som bøjer og driver en forbindelse, der låser en fjederbetjent kontakt op. Dette afbryder kredsløbet og kan nulstilles, når bimetalstrimlen er afkølet.
Bimetal strimler anvendes også i tidsforsinkelse relæer, gasovn sikkerhedsventiler, termiske blinklys for større blinklys lamper og lysstofrør startere . På nogle enheder er strømmen, der løber direkte gennem bimetalstrimlen, tilstrækkelig til at opvarme den og betjene kontakter direkte. Det er også blevet brugt i mekaniske PWM spændingsregulatorer til bilbrug.