Термобиметаллические термометры

Биметаллические пластины (рис.6.2), используемые в качестве чувствительного элемента биметаллического термометра (БТ), состоят из двух примерно одинаковых по толщине пластинок металлов или сплавов с различными температурными коэффициентами линейного расширения. При изменении температуры такой пластины она изгибается в сторону материала с меньшим коэффициентом линейного расширения.

Рис. 6.2.Биметаллические пластины

При жестком креплении одного конца пластины перемещение ее другого конца вследствие изгиба передается с помощью системы рычагов на указатель и служит мерой изменения температуры.

Угол изгиба биметаллической пластины определяется формулой

(6.12)

где l - длина биметаллической пластины; h - суммарная толщина биметаллической пластины; Δθ = t₁ – t₂ - величина изменения температуры.

Для закрепленной с одного конца биметаллической пластины длиной lи толщиной hперемещение А ее ненагруженного конца при изменении температуры пластины от t₁до t₂определится выражением

(6.13)

где – чувствительность.

В авиационных приборах применяют биметаллические пластины, состоящие из стали (a₁ = 19·10^-6) и инвара (a₂=1·10^-6).

Подключение к этому концу пластины какого-либо механизма для перемещения стрелки по шкале БТ приводит к возникновению силы F, противодействующей перемещению и частично подавляющей перемещение на величину А. Такая противодействующая сила определится выражением

, (6.14)

где b– ширина пластины; Е – модуль упругости.

Очевидно, что выражения (6.13) и (6.14) справедливы только в том интервале температур, в котором оба, используемых металла обладают упругой деформацией. Это обстоятельство определяет принципиальные температурные границы применимости БТ. Подбором специальных сплавов удается создать БТ с рабочим диапазоном температур от -100 до +600 °С.

При выполнении биметаллического чувствительного элемента в виде винтовой или спиральной пластины (рис.6.3,б,в), один конец которой закреплен неподвижно, а другой связав с выходной осью, можно получить большой угол поворота выходной оси (до 360°), что позволяет поместить указывающую стрелку непосредственно на эту ось и исключить из конструкции термометра передаточно-множительный механизм.

Рис. 6.3.Принципиальные схемы биметаллических чувствительных элементов:

а — схема термометра сплоской биметаллической пластиной; б — то же, с винтовой пластиной; в — то же, соспиральной пластиной;

1 — биметаллический чувствительный элемент; 2 — передаточно-множительный механизм;

3 — стрелка

Биметаллические термометры применяются в качестве элементов компенсации температурных погрешностей приборов, а также для измерения температуры в тех случаях, где необходимы надежные недистанционные приборы.Биметаллические термометры основаны на принципе прямого преобразования сигналов идля него справедлива структурная схема(рис.6.4).

Рис. 6.4.Структурная схема биметаллического термометра:

y– деформация элемента, l- передаточная характеристика; j– угол отклонения стрелки

Передаточная функция равна:

Для увеличения длины пластины при сохранении малых габаритов чувствительного элемента его выполняют в виде спирали. В этом случае изменение температуры от t₁до t₂вызывает поворот ненагруженного конца спирали на угол у.

Если чувствительный элемент БТ не предназначен для работы в агрессивных средах, то он не требует защитного кожуха, и в этом случае термометры такого типа обладают сравнительно небольшой термической инерцией.

Наибольшее распространение БТ получили для автоматического регулирования. В этом случае чувствительный элемент приводит в действие систему управления контактами реле. Основная погрешность БТ составляет 1,0-1,5 %, а в области повышенных температур – до 3 % диапазона измерения. Градуировочные характеристики БТ близки к линейным. Однако чувствительные элементы термометров не взаимозаменяемы и приборы требуют индивидуальной градуировки. Она может осуществляться в термостатах путем сравнения с показаниями соответствующего образцового средства измерений.