Биметаллическая пластина

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

Устройство

Если оба конца биметаллической пластины соединены заклёпками, при увеличении температуры пластина изгибается

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.

Применение

Термостаты и защитные устройства

Биметаллическая пластина, используемая в реле защиты электродвигателя

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

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

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

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

Термометры

Схема биметаллического термометра

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

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

Устройства для микроперемещений

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

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

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

Расчёт пластины

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

[math]\displaystyle{ \kappa = \frac{6 E_1 E_2 (h_1 + h_2)h_1 h_2 \varepsilon }{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} }[/math]

где:

• [math]\displaystyle{ \varepsilon = (\alpha_1-\alpha_2) \Delta T }[/math];
• [math]\displaystyle{ E_1 }[/math] — модуль Юнга материала 1 (здесь и ниже для материала 2 индексы, соответственно, 2);
• [math]\displaystyle{ h_1 }[/math] — толщина материала 1;
• [math]\displaystyle{ \alpha_1 }[/math] — коэффициент теплового расширения материала 1;
• [math]\displaystyle{ \Delta T }[/math] — 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

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

Примечания

[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.