Биметалът

Две ленти от метали с различно топлинно разширение са слепени по цялата дължина, например месинг и инвар. При затопляне едната се удължава повече, но не може да се плъзне по другата, затова двете се огъват към тази, която се разширява по-малко. Огъването расте с квадрата на дължината: двойно по-дълга лента се огъва 4 пъти повече.

Лента от ↔ дръпни40 mm (дебелина 0,5 mm), затоплена с ↔ дръпни60 °C, се огъва с 2,59 mm на края. Това стига да отвори контакт.

Термостатът е точно това: биметалът държи контакта на нагревателя затворен, докато е студено, и го отваря при зададената температура. Контактът има хистерезис (тригер на Шмит в механичен вариант, АЦУ тема 9). Изключва над горния праг, включва под долния. Без него би тракал непрекъснато около една точка.

Термостатът е настроен на ↔ дръпни21 °C с хистерезис ↔ дръпни2 °C. За 4 часа нагревателят превключва 34 пъти.

Термостат с биметал

Стаята и нагревателят

температура в стаята нагревателят изключва включва

L

40 mm

ΔT

60 °C

зададена

21 °C

хистерезис

2 °C

Фигура 1.

Стаята загрява, докато стигне горния пунктир, нагревателят (червено, долу) спира, стаята изстива до долния пунктир и всичко се повтаря. По-тесният хистерезис държи температурата по-точно, но контактът превключва по-често и се износва. Пробвай 0,2 °C и 4 °C.

Сплави с памет на формата (SMA)

Нитинолът (NiTi) има две кристални фази:

• мартензит – студена фаза, мека. Жицата се разтяга лесно с малка сила;
• аустенит – топла фаза, твърда. Връща се към запомнената форма с голяма сила.

Затоплиш ли разтегнатата жица (най-често с ток през нея), тя се свива с до около 4 %. Превръщането има хистерезис: нагряването започва при A_s = 55 °C и свършва при A_f = 65 °C. Охлаждането става по-ниско: от M_s = 45 до M_f = 35 °C.

Жица от ↔ дръпни100 mm се свива с 4 mm.

Памет на формата

Нагряване и охлаждане минават по различен път

нагряване охлаждане

жица

100 mm

Фигура 2.

При нагряване (червено) жицата се свива чак след A_s. При охлаждане (синьо) се отпуска по-ниско, под M_s. Между двете криви е цял прозорец от 20 °C, в който жицата помни откъде идва. SMA са тихи, леки и много силни за размера си: микроклапани, захватите на малки роботи, стентове в медицината. Но са бавни, защото трябва да изстинат, и с нисък КПД.

Восъчните актуатори

Парафинът се разширява с около 10–15 % при топене. Затворен в цилиндър, той бута бутало с голяма сила. Така работят термостатните вентили на радиаторите и термостатът на охлаждането в колата: щом водата стигне около 90 °C, восъкът се разтопява и отваря пътя към радиатора.

Общото на топлинните актуатори е, че са силни и прости, но бавни: зависят от нагряването и изстиването. КПД-то им е ниско.

Самопроверка

1. Защо биметалът се огъва при нагряване?

Двата метала се разширяват различно, но са слепени – по-разширяващият се слой се оказва отвън на дъгата.

2. Защо термостатът има хистерезис?

За да не трака около една температура: изключва при горния праг, включва чак при долния.

3. Как работи сплав с памет на формата?

В студено (мартензит) се деформира лесно; при нагряване над A_f преминава в аустенит и се връща към запомнената форма – с голяма сила (жица се свива с до ~4 %).

4. Къде се ползват восъчните актуатори?

Термостатни вентили на радиатори и термостата на охладителната система в колата – восъкът се разширява при топене и бута бутало.