Термобиметаллические преобразователи. Особенности конструкции. Анализ источников статических погрешностей. Математическая модель преобразователя. Иллюстрация примерами.

Биметаллические пластины (рис.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.

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

Для закрепленной с одного конца биметаллической пластины длиной l и толщиной s перемещение А, ее ненагруженного конца при измене­нии температуры пластины от t₁ до t₂ определится выражением

А = ζl²(t₁-t₂)/s , (1)

где ζ — удельный изгиб пластины, зависящий в основном от разности коэффициентов линейного расширения использованных металлов;

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

, (2)

где  b – ширина пластины; Е – модуль упругости.

Очевидно, что выражения (1) и (2) 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.

Биметаллические термометры применяются в качестве элементов компенсации температурных погрешностей приборов, а также для измерения температуры в тех случаях, где необходимы надежные не дистанционные приборы.

Биметаллические термометры основаны на принципе прямого преобразования сигналов и для него справедлива структурная схема (рис.3).

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 t₁ до t₂ вызывает 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.