電容式遠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高精度也只能達到1 % , 且量程小, 又不能遠傳。
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,又能遠傳溫度信息的產(chǎn)品, 我們研制了電容式遠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、保護管、刻度盤及指針等構(gòu)成。當溫度從七。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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