熱雙金屬盤(pán)螺旋光指針溫度計(jì)設(shè)計(jì)

張常龍，彭元虎，郇維亮，李 志，徐 崇

（遼寧科技大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

隨著科技的不斷發(fā)展，對(duì)于傳統(tǒng)溫度計(jì)的要求越變?cè)礁?，而本文提到的熱雙金屬盤(pán)螺旋光指針溫度計(jì)擁有傳統(tǒng)溫度計(jì)所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)：測(cè)量溫度范圍廣，測(cè)量精度高；耐高溫、耐油、耐水腐蝕；表盤(pán)硬度大，抗壓不容易損壞；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本相對(duì)低廉，操作可靠性強(qiáng)；可以加入傳感器與電腦對(duì)接達(dá)到遠(yuǎn)距離控制等。正是因?yàn)闊犭p金屬具有直接或間接通過(guò)熱驅(qū)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)溫度控制、溫度指示、溫度補(bǔ)償、程序控制的功能，因而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制電器、家用電器、節(jié)能技術(shù)、汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域，市場(chǎng)前景十分廣闊［1］。

1 設(shè)計(jì)原理

雙金屬片也稱(chēng)熱雙金屬片，由于各組元層的熱膨脹系數(shù)不同，當(dāng)溫度變化時(shí)，主動(dòng)層的形變要大于被動(dòng)層的形變，從而雙金屬片的整體就會(huì)向被動(dòng)層一側(cè)彎曲［1－2］。其中，膨脹系數(shù)較大的稱(chēng)為主動(dòng)層，膨脹系數(shù)較小的稱(chēng)為被動(dòng)層。

1.1 金屬的線(xiàn)熱脹系數(shù)

金屬的線(xiàn)熱脹系數(shù)α為

式中t為溫度，L為熱雙金屬片長(zhǎng)（見(jiàn)圖1）。

圖1 熱雙金屬片偏轉(zhuǎn)角φ

當(dāng)溫度變化為（t－t0）時(shí)，扭轉(zhuǎn)角φ為［2］

因?yàn)橛?/p>

故

式中α1和α2分別是主動(dòng)層金屬和被動(dòng)層金屬的熱膨脹系數(shù)；h為熱雙金屬片的厚度。

從式（4）可以看出，熱雙金屬層的扭轉(zhuǎn)角度φ和溫度的增量Δt（Δt＝t－t0）呈線(xiàn)性關(guān)系［3］。

1.2 彈性模量

彈性模量是表示熱雙金屬機(jī)械性能的一個(gè)重要參量［4］，是計(jì)算熱雙金屬元件的推力、力矩和內(nèi)應(yīng)力時(shí)不可缺少的參數(shù)。測(cè)量原理示意圖見(jiàn)圖2。熱雙金屬的彈性模量E用下式計(jì)算［5］：

式中，P是雙金屬片上加載的負(fù)荷；L為雙金屬片的長(zhǎng)度；f是受力撓度；b為材料參數(shù)。

圖2 彈性模量測(cè)量原理

1.3 允許使用溫度范圍

允許使用溫度即溫度應(yīng)力達(dá)到熱雙金屬片彈性極限時(shí)的溫度。在線(xiàn)性溫度范圍以外，允許使用溫度的上下限內(nèi)，材料的熱敏感性能雖有所降低，但是應(yīng)力還沒(méi)有達(dá)到材料的彈性極限，因此材料還能使用。

用一束激光照射粘在雙金屬片端口的反射鏡，如果保持入射光線(xiàn)不變，使反射鏡轉(zhuǎn)過(guò)角φ，則反射光線(xiàn)的偏轉(zhuǎn)角為2φ，如圖3所示。因此，當(dāng)熱雙金屬溫度變化時(shí)，金屬片旋轉(zhuǎn)角度即為反射鏡轉(zhuǎn)過(guò)角度，則光指針的變化角度為2φ。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，刻度盤(pán)設(shè)定為180°，所以反射鏡的最大偏轉(zhuǎn)角φ在理論上為90°［6］。

在本實(shí)驗(yàn)中，平面鏡不能與激光的光束完全重合，因此反射光的偏轉(zhuǎn)角一般需要在0°和180°兩端各舍去5°。將式（4）化成：

式（6）中比彎曲系數(shù) K＝（14.3）×10－6℃－1，h＝0.15 mm，若溫度變化幅度為85℃，則L＝18.3cm。

圖3 反射光偏轉(zhuǎn)角與平面鏡偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系

截取雙金屬片18.3cm做成盤(pán)螺旋，當(dāng)外界溫度變化時(shí)，雙金屬螺旋會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。把雙金屬螺旋的端部粘上平面反射鏡，反射鏡會(huì)隨著雙金屬螺旋的扭轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，反射光束就隨著入射角的改變而改變。激光束照射到表盤(pán)上雙金屬對(duì)應(yīng)的溫度刻度值，就可讀出雙金屬螺旋所處的溫度。

2 結(jié)果與討論

首先應(yīng)對(duì)光指針溫度計(jì)進(jìn)行溫度標(biāo)定。然后，通過(guò)自制光指針溫度計(jì)測(cè)定熱雙金屬片的t－φ溫度特性曲線(xiàn)，求出特性曲線(xiàn)的斜率k［7］，數(shù)據(jù)處理求出的斜率與標(biāo)定值比較得出光指針溫度計(jì)的相對(duì)誤差［8］Δ；另外，利用公式⑹可得到熱雙金屬材料的比彎曲系數(shù)K；測(cè)量的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和圖4。由圖4可知，觀測(cè)點(diǎn)的分布趨勢(shì)近似成一條直線(xiàn)［9］。作好圖之后，在圖像上靠近兩端取2個(gè)坐標(biāo)點(diǎn) M1（18，10），M2（62，34），算出直線(xiàn)的斜率k，其物理意義為精確度［10］。

圖4 t－φ溫度特性曲線(xiàn)

由式（6）可知

其中h＝0.1mm，L＝12.5cm。則比彎曲系數(shù)［11］為

允許使用的溫度范圍可以從［φ－t］曲線(xiàn)確定（見(jiàn)圖5）。從圖中能看出，各種型號(hào)的熱雙金屬材料在－20～180℃范圍內(nèi)都有較好的線(xiàn)性關(guān)系，尤其是5J11和5J14雙金屬在700℃時(shí)仍能保持很好地線(xiàn)性關(guān)系。

圖5 熱雙金屬偏轉(zhuǎn)角與溫度的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）本裝置用激光束作為指針，所以能很好地避免回程差對(duì)測(cè)量精度的影響；

（2）溫度計(jì)的量程為5～90℃（可調(diào)），精確度為0.5℃，可基本滿(mǎn)足生產(chǎn)、生活中的需要；

（3）利用本裝置可以粗略測(cè)量熱雙金屬的比彎曲系數(shù)K（也可測(cè)量金屬的熱膨脹系數(shù)［12］）；

（4）由于本裝置用到激光，所以能夠與光纖結(jié)合實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控溫與測(cè)溫［13］。

（5）從實(shí)驗(yàn)中可以得到，各種型號(hào)的熱雙金屬材料在溫度范圍內(nèi)都有較好的線(xiàn)性關(guān)系，尤其是5J11和5J14雙金屬在700K時(shí)仍能保持良好的線(xiàn)性關(guān)系［14］。

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