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

Устройство

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

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

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 :

${\displaystyle \kappa ={\frac {6E_{1}E_{2}(h_{1}+h_{2})h_{1}h_{2}\varepsilon }{E_{1}^{2}h_{1}^{4}+4E_{1}E_{2}h_{1}^{3}h_{2}+6E_{1}E_{2}h_{1}^{2}h_{2}^{2}+4E_{1}E_{2}h_{2}^{3}h_{1}+E_{2}^{2}h_{2}^{4}}}}$

где:

• ${\displaystyle \varepsilon =(\alpha _{1}-\alpha _{2})\Delta T}$ ;
• ${\displaystyle E_{1}}$ — модуль Юнга материала 1 (здесь и ниже для материала 2 индексы, соответственно, 2);
• ${\displaystyle h_{1}}$ — толщина материала 1;
• ${\displaystyle \alpha _{1}}$ — коэффициент теплового расширения материала 1;
• ${\displaystyle \Delta T}$ — 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

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.