9. Биметаллические чувствительные элементы

Такие элементы применяют в приборах для измерения температур, компенсации температурных погрешностей, возникающих в передаточных меха­низмах и чувствительных упругих элементах, а также в качестве терморегуляторов температурных реле (рис. 11). Принцип их дей­ствия основан на свойстве биметаллических пластин изгибаться в сторону материала с меньшим коэффициентом линейного расшире­ния при изменении температуры. Для этой цели биметаллическую пружину изготовляют из двух пластин с различными коэффициен­тами линейного расширения, сваренных или спаянных по длине. Пластину из материала с большим коэффициентом линейного расширения называют активным слоем, пластину из материала с мень­шим коэффициентом линейного расширения — пассивным слоем.

Рис. 11. Формы биметаллических упругих элементов: а, б–контактные пружины в термореле и терморегуляторах; в–чувствительные элементы термометра.

Материалы, используемые для изготовления биметаллических элементов, должны обладать наибольшей разностью температурных коэффициентов линейного расширения, иметь близкие значения модулей упругости и допускаемые напряжения на изгиб для раз­личных слоев, хорошо свариваться или спаиваться.

В большинстве биметаллических элементов для пассивного слоя используют инвар, а для активного — сталь, иногда латунь. Харак­теристики основных свойств термобиметаллов приведены в табл.5. Промышленностью освоен выпуск готовых термобиметаллических пластин из различных слоев материалов. В соответствии со стан­дартом одной из основных характеристик термобиметаллической пластины является чувствительность, определяемая либо разностью коэффициентов линейного расширения слоев, либо удельным изги­бом. Удельный изгиб А подсчитывают по результатам измерений перемещения конца консольно закрепленной пластинки длиной и толщиной h при ее нагреве на с помощью формулы

(9.1)

Таблица 5

Обозначение стандартных биметаллов содержит буквы ТБ и че­тыре цифры, из которых первые две соответствуют значению А, следующая цифра дает условную оценку удельного электрического сопротивления по пятибалльной системе

(9.2)

Последняя цифра аналогично определяет допустимую рабо­чую температуру [t]

1–при [t]=420 °С; 2 – при [t] = 320 °С; 3–при [t] = 230 °С; 4–при [t] = 140 °С). Например, ТБ 2013 имеет А = 20 °С^-1 и [t] = 230 °С.

Температурная чувствительность биметаллического элемента – отношение перемещения конца пластинки к изменению температуры, вызывающему это перемещение:

(9.3)

где и — соответственно элементарные линейное или угловое перемещения биметаллического элемента.

Рассмотрим работу прямой биметаллической пластинки дли­ной (рис. 12, а) с верхним активным слоем толщиной h₁ и ниж­ним пассивным толщиной . Модули упругости слоев и коэффи­циенты линейного расширения соответственно будут

Если предположить, что отдельные слои пластинки не связаны между собой, то при изменении температуры на каждый из них удлинится на величину

(9.4)

Учитывая, что в реальном чувствительном элементе слои соеди­нены между собой, по общей поверхности будут действовать силы сжатия для активного слоя и растяжения для пассивного. Каждый из слоев будет находиться в условиях внецентренного растяжения или сжатия, т. е. в каждом из них будут действовать нормальная сила P и изгибающие моменты . В результате активный слой при изменении температуры будет сжиматься силой Р на величину , а пассивный – растя­гиваться на той же силой:

(9.5)

Рис. 12. Биметаллическая пластинка:

а–линейные деформации; б–угловая деформация; в–контактная сила.

Наличие изгибающих моментов М1 и М2 приводит к искривле­нию биметалла при нагревании, которое можно охарактеризовать угловой деформацией или линейной деформацией (рис. 12, б). Угловая деформация очевидно будет одинаковой для обоих слоев;