بی متال

بسیاری از فرآیندهای خانگی، تجاری و صنعتی برای کاربردهای تحریک الکتریکی یا مکانیکی به دو فلزات ترموستاتیک متکی هستند. آنها را می توان در بسیاری از کلیدهای کنترلی مانند ترموستات های اولیه، ساعت ها، قطع کننده های مدار و لوازم الکتریکی یافت.

بی متال چیست؟

یک فلز دو فلزی یا ترموستاتیک ورق یا نواری از دو یا چند ماده مرکب با ضرایب مختلف انبساط حرارتی خطی است که توسط پرچ، لحیم کاری یا جوش به هم متصل می‌شوند. ماده ای با ضریب انبساط حرارتی بزرگتر (CTE) به عنوان جزء فعال در نظر گرفته می شود و CTE کوچکتر جزء غیرفعال است. جزء فعال معمولا دارای آلیاژهای حاوی آهن، منگنز، نیکل یا کروم در مقادیر مختلف است. در حالی که در سمت غیرفعال، اینوار اغلب انتخاب می شود، آلیاژ آهن نیکل حاوی 36٪ نیکل. برخی از دو فلزات شامل لایه سوم مس یا نیکل در بین دو طرف فعال و غیرفعال هستند تا رسانایی حرارتی را افزایش داده و مقاومت الکتریکی ماده را کاهش دهند.

خواص بی متال

دو فلزات با تمایل فلزات برای انبساط در هنگام گرم شدن و انقباض در هنگام سرد شدن کار می کنند. تغییر انحنا یا خمش در پاسخ به تغییر دما، یکی از ویژگی‌های اساسی همه بی‌فلزهای ترموستاتیک است. در واقع، تغییر دما به جابجایی مکانیکی تبدیل می شود. رفتار دو فلزی قابل پیش بینی و تکرار است. اجزای مورد استفاده برای دو فلزات به دلیل ویژگی های دمایی و همچنین هدایت حرارتی، پایداری، استحکام، کارایی و خواص الکتریکی آنها انتخاب می شوند.

انعطاف پذیری

ویژگی اساسی یک دو فلزی انعطاف پذیری است که به عنوان انحنای خاص نیز شناخته می شود. این یک ویژگی مهم دو فلزی است که با تغییر انحنا در امتداد محور طولی آن مشخص می شود. این به صورت [3] بیان می شود:

جایی که،

F = انعطاف پذیری (°F -1 ) (SI: °C -1 )*

R2، R1 = شعاع انحنای طرف فعال و غیرفعال به ترتیب (in) (SI: mm)

T = ضخامت نوار (در) (SI: میلی متر)

T2، T1 = دما (°F) (SI: °C)

* این به سادگی واحد SI را پس از تبدیل ریاضی از سیستم استاندارد نشان می دهد. این یک واحد استاندارد نیست. در سراسر متن به طور مشابه دنبال می شود مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. را ببینید تعیین ASTM B106 .

و برای یک پرتو ساده:

جایی که،

L = فاصله بین نقاط پشتیبانی (در) (SI: میلی متر)

B = حرکت (in) (SI: mm)

تصویر 1: نمودار شماتیک آزمون انعطاف پذیری. برگرفته از Ref. 3

شعاع انحنا

علاوه بر این، معادله زیر خم شدن یا شعاع انحنای یک نوار دو فلزی را نشان می‌دهد. در اینجا می‌توان عواملی را که بر خمش دو فلزی و رابطه آن تأثیر می‌گذارند، مشاهده کرد [3]:

جایی که،

ρ = شعاع انحنای نوار (in) (SI: mm)

α1 = ضریب انبساط نوار اول (°F -1 ) (SI: °C -1 )

α2 = ضریب انبساط نوار دوم (°F -1 ) (SI: °C -1 )

T0، T1 = دما (°F) (SI: °C)

E1 = مدول الاستیسیته برای اولین نوار (psi) (SI: Pa)

E2 = مدول الاستیسیته برای نوار دوم (psi) (SI: Pa)

t1، t2 = ضخامت هر جزء (در) (SI: mm)

t = ضخامت نوار چسبانده شده (در) (SI: میلی متر)

n = E1/E2

m = t1/t2

این معادله نشان می‌دهد که

خمش دو فلزی ترموستاتیک مستقیماً با تغییر دمای نوارهای مؤلفه و اختلاف CTE متناسب است و با ضخامت نوارهای ترکیبی نسبت معکوس دارد. شعاع انحنا نیز تحت تأثیر نسبت ضخامت و نسبت مدول الاستیسیته دو نوار است.

مقاومت الکتریکی و هدایت حرارتی

برای کاربردهایی که گرما با عبور جریان الکتریکی از یک دو فلزی تولید می شود، آگاهی از مقاومت الکتریکی و هدایت حرارتی به عنوان پارامترهای تغییر دما مهم است. این برای بسیاری از بی متال ها که به عنوان قطع کننده مدار استفاده می شوند صادق است. برای یک مقاومت، معادله زیر نشان می دهد که چگونه می توان افزایش دما را بدست آورد [3]:

جایی که،

ΔT = افزایش دما (°C)

I = جریان (A)

ε = مقاومت الکتریکی (مقاومت Ω)

θ = زمان (s)

c = ظرفیت گرمایی ویژه (J/g°C)، تخمین زده شده در 0.502 برای همه دو فلزی

d = چگالی (g/cm 3 )

w = عرض (mm)

t = ضخامت کل (mm)

با استفاده از فاکتورهای تبدیل مناسب می توان فرمول مشابهی را در واحدهای انگلیسی به دست آورد.

کاربردهای دو فلزی

نشانگر دما

از دو فلز برای نشان دادن دما مانند دماسنج های اشاره گر مارپیچی یا مارپیچ استفاده می شود. چنین دماسنج هایی به اندازه گیری دما در ادارات، یخچال ها و حتی بال های هواپیما کمک می کنند. دو فلزی از این نوع معمولاً 0.005 اینچ (0.127 میلی متر) تا 0.015 اینچ (0.381 میلی متر) ضخامت دارند و سیم پیچ به دلیل ایجاد گشتاور کافی برای حرکت آزادانه اشاره گر به مقیاس اشاره گر نصب می شود. محدوده دمایی تحت پوشش دو فلزی تقریباً بین -50 درجه فارنهایت و 1000 درجه فارنهایت (46- درجه سانتیگراد و 538 درجه سانتیگراد) گسترش می یابد. نرخ انحراف زاویه ای معمولاً 2.5-3 درجه بر درجه فارنهایت است [4].

کنترل دما

از دو فلزات به عنوان وسیله ای برای کنترل دما استفاده می شود، مانند ترموستات های دمای اتاق. در چنین دستگاه هایی، یک تیغه دو فلزی یک نقطه تماس حامل جریان را نگه می دارد که به یک نقطه تماس ثابت جفت شده متصل است. این امکان سوئیچینگ خودکار مدارها را برای کنترل گرمایش و سرمایش دستگاه های الکتریکی به عنوان قوس تیغه ها هنگام رسیدن به دمای معین فراهم می کند [4].

کوپلینگ لوله و لوله

برای کاربردهای برودتی، غیر مغناطیسی و هسته‌ای که در آن خواص فلزی باید به طور قابل اعتماد تغییر کند، از کوپلینگ‌های دو فلزی استفاده می‌شود تا امکان اتصال و انتقال مستقیم برای لوله‌ها و لوله‌ها با CTE‌های مختلف فراهم شود. این اتصالات همچنین ممکن است در سایر کاربردهای انتقال حرارتی استفاده شوند [4].

کنترل عملکرد

با وارد کردن گرما به یک بی متال – یا آنچه به عنوان گرمایش کمکی شناخته می شود – می توان عملکرد دستگاه حاوی بی متال را کنترل کرد. کلید های مدار و دستگاه های تاخیر زمانی نمونه هایی از این دستگاه ها هستند. عملکردهای نسبی مانند جریان و زمان را می توان با نصب قطعه بی متال به عنوان عنصر فعال در دستگاه کنترل کرد [4].

کار دو استوار است که یک فلز صرف گرمایش و انقباض در سرمایش می کند. اگر نوار فلزی به طول l را در نظر بگیریم. هنگامی که دما افزایش می یابد، طول آن افزایش می یابد. افزایش طول نوار در اثر افزایش دما با ضریب انبساط حرارتی خطی . با “α L ” نشان داده می شود.
جایی که l طول اولیه جسم است،
Δl افزایش طول است،
Δt افزایش دما است،
واحد αL بر o C

متال از دو نوار از دو فلز مختلف با ضریب انبساط حرارتی خطی متفاوت تشکیل شده است که در طول به یکدیگر جوش داده شده اند. یک بی متال در دمای معمولی در شکل زیر نشان داده شده است.

در حرارت دادن، انبساط در طول هر دو نوار فلزی متفاوت است. به همین دلیل عنصر دو فلزی خم می شود و قوس تشکیل می دهد به گونه ای که فلز با ضریب انبساط حرارتی خطی بالاتر در سمت قوس و فلز با ضریب انبساط حرارتی خطی کمتر در سمت داخلی قوس باشد. در شکل زیر

در هنگام خنک شدن، عنصر دو فلزی خم می شود و قوس تشکیل می دهد به گونه ای که فلز با ضریب انبساط حرارتی خطی کمتر در ضلع خارجی قوس و فلز با ضریب انبساط حرارتی خطی بالاتر در سمت داخلی قوس باشد. شکل زیر

از پدیده فوق می توان برای تولید دستگاهی مفید برای تشخیص و اندازه گیری تغییرات دما استفاده کرد.
ترکیبات رایج برای ساخت نوارهای دو فلزی
از ترکیبات زیادی از فلزات با ضریب انبساط حرارتی خطی مختلف می توان برای تشکیل دو فلز استفاده کرد . برخی از ترکیبات رایج برای ساخت نوارهای دو فلزی در زیر ذکر شده است:

1. آهن، نیکل، کنستانتان (ضریب انبساط حرارتی خطی بالا)
2. آلیاژ آهن و نیکل (ضریب انبساط حرارتی خطی پایین)

کاربردهای دو فلزی

بی متال کاربردهای زیادی دارد. بعضی از این ها در پایین لیست شده اند-

ترموستات دو فلزی

دو فلزی برای ساخت ترموستات دو فلزی برای کلیدزنی خودکار مدار برای کنترل معتدل وسایل خاصی مانند بخاری برقی، اتوهای برقی، یخچال، فرهای برقی و غیره بسیار مفید هستند. در برخی مدارها، جریان عبوری از خود ترموستات باعث تولید گرما برای عملکرد ترموستات یک ترموستات دو فلزی معمولی برای این عملیات در شکل زیر نشان داده شده است.

در عملکرد به عنوان یک ترموستات،

یک سر بی متال ثابت و به منبع تغذیه متصل می شود. انتهای دیگر برای حرکت آزاد است. یک کنتاکت الکتریکی در انتهای آزاد بی متال متصل است که با انبساط و خمش بی متال حرکت می کند. در دمای معمولی، این کنتاکت متحرک با تماس ثابت مطابق شکل زیر تماس برقرار می کند. هنگامی که گرما تولید می شود، این نوار دو فلزی خم می شود. به همین دلیل کنتاکت متصل به انتهای حرکت آزاد نوار دو فلزی حرکت می کند و مطابق شکل زیر از تماس ثابت جدا می شود. دوباره وقتی دما کاهش می یابد و به حالت عادی باز می گردد، بی متال به حالت عادی برمی گردد و با بسته شدن مدار توسط بی متال. نمونه ای از این نوع ترموستات ترموستات مورد استفاده در اتو برقی می باشد.

در شکل بالا، بی متال یک نوار مستقیم است، اما می توان آن را به شکل یک سیم پیچ (مانند شکل زیر) برای افزایش طول به منظور افزایش حساسیت ترموستات ساخت.

ساعت دو فلزی

سیستم ساعت مکانیکی به دما بسیار حساس است که منجر به خطا در عملکرد ساعت می شود. با استفاده از نوار دو فلزی می توان خطا را تا حد قابل توجهی جبران کرد.

دماسنج دو فلزی

نوار دو فلزی را می توان در دماسنج های نوع نشان دهنده مستقیم استفاده کرد. در دماسنج از نوار دو فلزی به صورت سیم پیچ استفاده می شود. نوع معمولی دماسنج با استفاده از نوار دو فلزی به شکل سیم پیچ در شکل زیر نشان داده شده است.
یک سر این سیم پیچ به محفظه ابزار و سر دیگر آن به اشاره گر متصل است. با گرم کردن سیم پیچ نوار دو فلزی، انتهای آزاد سیم پیچ حرکت می کند که منجر به کاهش تورم نشانگر در مقیاس می شود. مقیاس بر حسب دما کالیبره می شود. به طوری که انحراف نشانگر به طور مستقیم دما را در مقیاس نشان می دهد.

وسایل حفاظت الکتریکی بی متال ها

ترموستات دو فلزی برای تشخیص جریان در دستگاه های الکتریکی برای محافظت از آنها در برابر جریان بیش از حد استفاده می شود. جریانی که از مدار یا دستگاه عبور می کند از یک سیم پیچ گرمایشی عبور می کند که نوار دو فلزی را گرم می کند. به دلیل گرم شدن خم‌های نوار دو فلزی، مدار قطع را برای محافظت از مدار الکتریکی یا دستگاه در برابر جریان بیش از حد کار کنید.