Сложные системы автоматики, выполняющие роль переключения режимов работы тех или иных устройств, построены на простейших элементах. Они имеют свойство изменять какой-либо из своих параметров (форму, объем, электропроводность и др.) под воздействием одного или нескольких факторов.
▶ Смотреть на YouTube
Так, все современные нагревательные элементы снабжены терморегуляторами, контролирующими степень нагрева поверхности. Основой любого термостата является биметаллическая пластина.
Что такое пластина биметаллическая
Элемент, обладающий свойством деформироваться (изгибаться) в одном направлении под воздействием повышенной температуры, получил название биметаллическая пластина. По названию можно догадаться, что в составе пластины имеются два металла. Каждый из них имеет свою величину коэффициента температурного расширения. В результате при нагреве такой пластины один компонент ее расширяется на определенную величину, а второй на другую.
Это приводит к изгибу, форма которого зависит от разности температурных коэффициентов. Скорость деформации прямо пропорциональна изменению температуры. При охлаждении пластины она приобретает исходное положение. Пластина является монолитным соединением и может работать сколь угодно долго.
Какие компоненты применяют в биметаллах
Для того чтобы соединить металлы между собой в единый биметалл, применяют способы пайки, сварки и заклепки.
Примером распространенной биметаллической пластины служит соединение латуни и стали. Такой композит имеет высокую термочувствительность.
Существуют аналоги биметалла из неметаллических материалов (стекло, керамика). Они призваны работать в агрессивных химических средах, где не может быть использован металл.
Как работает биметаллическая пластина
Пластина из биметалла работает в составе различных систем терморегулирования и термоконтроля, а точнее в термореле многих модификаций. В простейшее термореле входит:
- Термостойкий корпус. В нем размещены все элементы реле.
- Клеммы – служат для подключения электрической цепи.
- Механические переключатели контактов или контактных групп. Замыкают и размыкают электрические контакты, включая или отключая цепь.
- Диэлектрический шток либо прокладка. Передает механическое воздействие от пластины к переключателю.
- Биметаллическая пластина. Является элементом реагирования на изменение температуры и создает давление на шток.
- Датчик температуры. Обыкновенная металлическая пластина, непосредственно соединенная с элементом контроля. Она обладает хорошей теплопроводностью и передает тепло на биметалл.
Когда поверхность нагревателя имеет допустимую температуру, биметаллическая пластина находится в определенном изогнутом (ровном) состоянии, электрические контакты при этом замкнуты, в цепи нагревателя течет ток.
При повышении температуры поверхности биметалл начинает греться и постепенно деформируется, оказывая давление на шток. При этом наступает момент, когда шток размыкает контакт механического переключателя, и прерывается ток в цепи нагревателя. Далее он остывает, охлаждается пластина, цепь замыкается, и все повторяется снова.
Часто реле выпускают с возможностью регулирования срабатывания по величине температуры.
Биметаллическая пластина котла
Системы отопления на природном газе являются устройствами повышенной опасности, поэтому включают в себя различные датчики контроля состояния. Так, основной элемент безопасности – это датчик тяги. Он определяет правильное направление выхода продуктов сгорания, то есть от камеры сгорания в сторону дымохода. Это предотвращает попадание угарного газа в помещение и отравление людей.
Основным компонентом датчика тяги является биметаллическая пластина для газового котла. Принцип работы ее аналогичен любому биметаллу, а размеры и параметры материала рассчитаны таким образом, что превышение температуры 75 градусов в канале приводит к деформации пластины и срабатыванию газового клапана.
В каких устройствах используют биметалл
Область применения биметаллической пластины необычайно широка. Практически все устройства, где необходим контроль за температурой, оснащены термостатами на основе биметалла. Это объясняется конструктивной простотой и надежностью таких релейных систем. В привычной нам технике термостаты стоят:
- В бытовых нагревательных приборах: печи, гладильные системы, бойлеры, электрочайники, и др.
- Системы отопления: электрические конвекторы, газовые и твердотопливные котлы с электроникой.
- В электропакетниках автоматического выключения.
- В электронике в измерительных приборах, а также в генераторах импульсов и временных реле.
- В двигателях теплового типа.
В промышленной технике биметаллические пластины устанавливают в тепловых реле, призванных защищать мощные электрические приборы от температурных перегрузок: трансформаторы, электродвигатели, насосы и т.д.
Когда меняют пластину
Все биметаллические пластины имеют длительный срок службы, но иногда ее замена неизбежна. Необходимость наступает тогда, когда:
- Биметалл потерял свои свойства или произошло их изменение, что не соответствует режиму работы устройства.
- Пластина выгорела (относится к тепловым реле).
- При нарушении фиксирующего болта либо выходе из строя горелки запальника (в газовых котлах).
- Когда замена пластины предполагается плановыми мероприятиями технического обслуживания.
В бытовой технике ее обычно не меняют. Если выходит из строя система терморегуляции, то замена биметаллической пластины происходит целым блоком, которые идут как запчасти к конкретной модели устройства. Но часто причиной выхода из строя термостата служит подгорание размыкающих контактов, а не биметаллическая пластина.
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 ]
- ↑Биметаллическая лента в жидком азоте (англ.)
- ↑Биметаллические качели (фото)
- ↑Clyne, TW. «Res >(недоступная ссылка) (англ.) , pdf, 36KB
- ↑ Sobel, Dava. «Longitude», London, Fourth Estate, 1995, ISBN 0-00-721446-4, стр. 103 (англ.)
1. биметаллическая пластина является теплоизолятором.
2. расширение тел при нагревании называется испарением.
3. тела, которые внутреннюю энергию, называют источниками тепла.
4. конвекция наблюдается только в жидкостях и газах.
Ответы на вопрос
на тело действует только сила тяжести
v=δs/δt считая с начала движения t₁=0
распишем проекции сил на горизонтальную и вертикальную оси:
где f – внешняя сила, alpha – угол
итоговая формула fтр=k*m*g*cos(alpha)*l/(cos(alpha)+k*sin(alpha))
числовой ответ 13,386 кдж.
пусть х – собственная скорость человека (в эскалаторах в минуту), а
y – скорость эскалатора. тогда получаем систему
2 * x + y = 1 / (1 – 1/4) = 4/3
решив систему получаем: х = 1/3 ; y = 2/3.
следовательно, человек, стоя на эскалаторе, спускается вниз за