電容式遠(yuǎn)傳熱敏雙金屬溫度計的探討

熱敏雙金屬溫度計是一種較為老式的溫度計, 但在近年來引進(jìn)的大型化工設(shè)備中,仍采用熱敏雙金屬溫度計作為就地指示儀。我國從七十年代已將其列為系列產(chǎn)品, 主要是因為它的抗振性能好, 比玻璃水銀溫度計堅固, 用以代替水銀溫度計, 既便于讀數(shù),又可避免水銀污染。其不足之處是精度不夠高, 目前zui高精度也只能達(dá)到1 % , 且量程小, 又不能遠(yuǎn)傳。
在工業(yè)生產(chǎn)控制中, 既采用熱敏電阻等感溫元件作為遠(yuǎn)傳顯示和控制, 又采用熱敏雙金屬溫度計作為就地指示監(jiān)督。為了滿足某些用戶對同一檢測部位檢測元件種類及測點(diǎn)盡可能少的要求, 以及為了使這種溫度計在我國的系列產(chǎn)品中, 增加既能就地指示,又能遠(yuǎn)傳溫度信息的產(chǎn)品, 我們研制了電容式遠(yuǎn)傳熱敏雙金屬溫度計。
二、測溫原理及受力分析
把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬帶焊在一起, 便成為熱敏雙金屬片, 將其制成螺旋管形式, 一端固定, 另一端為自由端。當(dāng)溫度變化時, 自由端就會相應(yīng)地發(fā)生偏轉(zhuǎn), 其溫度變化越大. 偏轉(zhuǎn)角也就越大。根據(jù)熱敏雙金屬螺旋管受熱后, 自由端產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的原理制成的測溫儀器, 稱為熱敏雙金屬溫度計,一般簡稱雙金屬溫度計。
熱敏雙金屬溫度計的結(jié)構(gòu), 如圖1 所示
它由熱敏雙金屬螺旋管感溫元件、連接輸出軸、保護(hù)管、刻度盤及指針等構(gòu)成。當(dāng)溫度從七。變化到七時, 在無外力作用的情況下, 熱敏雙金屬螺旋管自由端發(fā)生偏轉(zhuǎn), 其偏轉(zhuǎn)角a 與溫度變化的關(guān)系為：
a = ZK L (土廠t。工(ra d )O
( 1 )
式中, K 一稱比彎曲。從( 1 )式可以看出, 溫度變化量(t一t0 )越大, 偏轉(zhuǎn)角a 也越大。如果溫度變化(七一饑)時, 自由端不發(fā)生偏轉(zhuǎn), 即a = O, 則熱敏雙金屬螺旋管受熱所引起的推力P 為:
P 二K E b 6 2 (t 一t。)6T(k g ) ( 3 )
式中, E 一熱敏雙金屬片整個截面的有效彈性模量。
熱敏雙金屬片寬度(m m ),力作用點(diǎn)到螺旋管的半徑(m m )。

由于熱敏雙金屬螺旋管自由端與輸出軸連接, 在輸出軸上還有一指針, 這就等于在其自由端平面上加上了負(fù)載, 效果是使螺旋管受壓縮。再者, 熱敏雙金屬螺旋管外層金屬膨脹系數(shù)大, 內(nèi)層金屬膨脹系數(shù)小, 兩者又是緊密地焊在一起成為一個整體, 所以,當(dāng)溫度變化時, 前者熱脹冷縮的伸長量大,后者熱脹冷縮的伸長量小, 其結(jié)果因兩者伸長量不等, 故使熱敏雙金屬螺旋管外層金屬受壓縮力, 內(nèi)層金屬則受拉伸力。因壓縮力的作用, 迫使螺旋管圈間距離減小, 從而使螺旋管的高度下降, 即呈現(xiàn)軸向位移。其感受溫度的變化量越大, 所受到的壓縮力也越大, 呈現(xiàn)的軸向位移量也越大。因拉伸力和總的熱脹冷縮結(jié)果, 使得螺旋管伸長, 圈數(shù)增加, 自由端中心半徑減小, 所以, 呈現(xiàn)輸出軸的旋轉(zhuǎn), 感受的溫度變化量越大, 其旋轉(zhuǎn)角也越大。
綜上所述, 當(dāng)熱敏雙金屬螺旋管感受溫度變化時, 由于受到拉伸力、壓縮力、負(fù)載等諸力作用的結(jié)果, 自由端不僅繞軸旋轉(zhuǎn),而且還將產(chǎn)生軸向位移。根據(jù)實際觀測, 不同的測溫范圍, 軸向位移量也不同。
測溫范圍在10 0 ℃ 以下, 軸向位移量約1 毫米。其值取決于熱敏雙金屬的材料、結(jié)構(gòu)尺寸、制造工藝以及測溫范圍等因素。

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