Experimentelle Analyse von parabolischen Bimetall-Shell

4 Schritt:Schritt 1: Physikalische und technische backgroung Schritt 2: Von der technischen Verwendung auf spielerische Anwendung 1/2 Schritt 3: Von der technischen Verwendung auf spielerische Anwendung 2/2 Schritt 4: Conslusion

Experimentelle Analyse von parabolischen Bimetall-Shell

Trotz der Tatsache, dass die Elektronik hat sich überwiegend in vielen Bereichen der Technik werden Thermobimetalle noch in einer breiten und stetig wachsende Palette von Anwendungen eingesetzt werden. Bimetall-Komponenten einfacher und komplexer sind das Herzstück zahlreicher Messgeräte, Regelsysteme und Sicherheitsvorrichtungen. In Heizung und sanitäre Anlagen, in elektrotechnischen Anlagen und Haushaltsgeräte, in Autos, Fernsehgeräte, und wo muss ein Gerät auf Temperaturänderungen reagieren.
Thermobimetall kann leicht angepasst, um die Beschränkungen durch die Konstruktion der Geräte, in welche sie eingearbeitet werden gestellten Anforderungen erfüllen werden. Dies führt zu einer Vielfalt von Formen, die sich in drei Hauptkategorien unterteilt werden können. Gerade Streifen sind die häufigste Form der Bimetalle, wobei die einfachste und billigste. Wenn der verfügbare Raum begrenzt ist, kann eine U-Form verwendet werden. Spiral- und Wendel Bimetalle konvertieren Temperaturänderungen in eine Drehbewegung oder ein Drehmoment, wenn die Verschiebung behindert wird. Eine spiralförmige Form ermöglicht eine große Länge der Bimetall in einem kleinen Volumen aufgenommen werden, wodurch eine hohe Empfindlichkeit, die nur durch Festigkeitsüberlegungen über eine bestimmte Länge begrenzt. Bimetall flachen Schalen umzukehren plötzlich bei einer kritischen Temperatur, die auf dem Grad der Bimetall eingesetzt und der Geometrie abhängt. Sie sind in zahlreichen Regulierungsvorrichtungen und Schutztechnik eingesetzt.
Dünne und flache Bimetall Schalen mit einem geeigneten Material und geometrische Eigenschaften haben die Eigenschaft, durch Einrasten in eine neue Gleichgewichtsposition bei einer bestimmten Temperatur. Das Ergebnis einer solchen schnellen Schnapp durch eines bimetallischen Ummantelung als Schaltelement in einem thermischen Schalter wirkt, ist die momentane Abschaltung der elektrischen Leistung und der Maschine. Die Schnapp durch des Bimetall-Shell ist eine dynamische Ereignis, das eine sehr kurze Zeit dauert und als solche verhindert die schädliche Funkenbildung und Schmelzen von elektrischen Kontakten und verlängert die Lebensdauer des Thermoschalters.
Bimetall-flache Schalen in Fig. 1 zeigen eine Reihe von interessanten Features, die in verschiedenen Experimenten getestet werden können, von sehr einfachen Ideen, um sehr anspruchsvolle diejenigen, die nur mit hallo-Tech-equipment.Step 1 durchgeführt werden kann: Physikalische und technische backgroung



Experimentelle Analyse von parabolischen Bimetall-Shell

Experimentelle Analyse von parabolischen Bimetall-Shell

Thermo-Bimetall flachen Schalen werden weithin als Thermostate verwendet, zum Beispiel, um automatisch Schalter weg vom elektrischen Strom in Wasserkochern, Bügeleisen, Wasserkocher und andere Geräte. Ihre Funktion ist die Temperatur durch Ausschalten elektrischer Energie bei vorgegebenen Temperaturen zu regeln. Es gibt ein großes Sortiment von thermostatischen Reglern, die jeweils entwickelt, um mit einem bestimmten Heizelement Design arbeiten, eine integrierte Heizung und Steuerung.
Ein thermo-Bimetall flachen Schale bestimmt die Temperatur, bei der jeder Thermostatsteuerung arbeitet. Diese Schalen sind aus einem Laminatverbund von Metallen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufgebaut ist. Sie verformen sich bei Temperaturänderungen. Mindestens ein Bimetall flachen Schale in jedes Gerät verwendet werden; jedoch gibt es einige Steuerelemente, die drei von ihnen zu verwenden. Die Bimetall-flache Schale führt eine Schnappwirkung bei definierten Temperaturen und erzeugt genügend Kraft zum Öffnen oder Schließen elektrischer Kontakte. Die Temperatur, bei der ein Bimetall flachen Schale "schnappt durch" Erhitzen wird das "break Temperatur" die Temperatur, bei der sie "schnappt zurück" auf Kühl heißt "Neuauflage Temperatur" bezeichnet.
Bimetall flachen Schalen wurden von rein empirischen Mitteln entwickelt. Ein großer Teil der Experimente wurde aus den letzten zehn Jahren durchgeführt, um die Leistung zu verbessern, und die Verbesserungen sind bemerkenswert.
Es ist gesagt worden, dass "Bimetall flachen Schalen eignen sich schlecht auf die Berechnung. Sie werden empirisch entwickelt, vor allem auf Erfahrung. Mehr als jede andere Form von Bimetall, erfordern Ausgangsmaterialien, deren physikalische und mechanische Eigenschaften sind präzise und gleichmäßige, mit kleinen Dickenschwankungen und eine hervorragende Oberflächengüte und Ebenheit ".
Die parabolischen Bimetall flachen Schalen mit einem Durchmesser von bis zu dreißig Millimetern bestehen aus zwei Metallschichten, zum Beispiel, ein aus Invar (passive Schicht) und die andere aus Stahl (aktive Schicht), kalt miteinander verschweißt. Im Jahr 1897 entdeckte Guillaume das Original "Invar" Eigenschaft, dh eine ferromagnetische kubisch-flächenzentrierte FeNi-Legierung, die etwa 35% Gew. Ni, das eine thermische Ausdehnung nahe Null bei Raumtemperatur aufweist. In Fig. 2 können wir den Querschnitt des Bimetall-flache Schale zu sehen, ist die Invar-Ebene sichtbar und glänzend. Die Stahlschicht befindet sich neben sie.
Feige. 2. Mikrostruktur von Bimetall flachen Schale Spezifikation Kanthal 94S Bimetall, Spezifikation durch ihre Dicke, Pfeil zeigt Walzrichtung
Bei niedrigen Temperaturen haben Bimetall flachen Schalen eine konkave Form, die dann rastet in eine konvexe Form bei hohen Temperaturen. Während dieses Prozesses kann die Schale eine Kraft groß genug ist, um einen Schalter zu aktivieren oder vereinbaren Sie einen elektrischen Kontakt mechanisch ausüben. Wie in diskontinuierlichen Phase Änderungen gemeinsame, flache Schalen zeigen erhebliche Hystereseverhalten (Abb. 3). Auf spielerische Anwendung 1/2 Aus technischen Einsatz: Bei ausreichender Materialien und korrekte Formgebung der unteren und oberen Schnapp Temperaturen, TLS und Tus jeweils in einem weiten range.Step 2 angepasst werden

Experimentelle Analyse von parabolischen Bimetall-Shell

Experimentelle Analyse von parabolischen Bimetall-Shell

Experimentelle Analyse von parabolischen Bimetall-Shell

Experimentelle Analyse von parabolischen Bimetall-Shell

Eines der Merkmale eines bimetallischen flachen Schale ist, dass sie Temperaturen von bis zu 40 ° C, wenn zwischen dem trockenen Fingern gerieben erreichen. Diese Temperatur ist ausreichend, um die Schale in die andere Konfiguration klicken - instabil bei normaler Raumtemperatur, in der sie vorübergehend bleiben kann, bis er abgekühlt ist. Wenn das Bimetall flachen Schale wird dann nach unten auf eine harte, kühle Oberfläche schnell genug platziert konkav-Seite, wird es zurück in die stabile Konfiguration schnappen und springen auf ca. 60 cm (± 1 cm). Eine Wiederholung des Versuches mit den gleichen Scheibe führt zu einer spürbaren Veränderung in der Höhe, und es kann noch mehr Unterschiede zwischen den verschiedenen Bimetall flachen Schalen sein. Wenn auf der Oberfläche konvexe Seite nach unten gelegt ist, springt die Scheibe so viel wie etwa 30 cm in die Luft. Dieses Phänomen wird später diskutiert werden.
Aus der Messung der Sprunghöhe h und der Masse m (= 1,207 g ± 0,003 g), können Sie die potentielle Energie E (berechnen = m · g · h = 0.001235kg · 10 ms-2 · 0,60 m = 7,4 · 10- 3 J). Die Anfangsgeschwindigkeit Springen mit berechnet werden
v = sqrt (2gh) = sqrt (2 x 10 ms-2 x 0,60 m) = 3,5 ms-1.
Luftwiderstand aufgrund der niedrigen Geschwindigkeit wegen Drehungen berücksichtigt werden, ebenso wie die Rotationsenergie. Ein zusätzliches Experiment zeigt, dass es noch mehr Energie in der Scheibe. Wenn einige kleine Bleche nur wenige Quadratmillimeter groß und mit einer Dicke von 0,3 bis 0,4 mm unter der Mitte der angeklickten Scheibe setzen, springt auf die Disc zu 85 cm hoch! Durch die Nutzung dieser Trick kann die Scheibe entlang der gesamten Strecke der gebogenen Scheibe beschleunigt werden. Aus diesem Grund mußten die Originalscheiben einen Einschnitt von ungefähr 0,3 mm in der Mitte der Scheibe (4). Stellt sich die Frage, was mit der Energie, die sich ohne die Bleche nicht auf der Sprung beizutragen. Wir können nur vermuten, dass die Energie durch die ruckartige und deshalb unelastischen Stoß auf die Auswirkungen der Mitte der Scheibe auf der Oberfläche abgegeben wird.
Die Anfangsbeschleunigung, die von der Kraft F = 35 N (± 5 N) erforderlich, um die Platte zu biegen geschätzt werden können, ist extrem groß. Diese Kraft zu bestimmen, wird die Scheibe flach auf eine ebene Fläche gelegt, und dann wird die Mitte der Scheibe mit Gewichten belastet, bis sie Biegungen (Abbildung 5). Die Annahme einer gleichmäßigen Beschleunigung ergibt:
a = F / m = 35.823N / 1.207 3.10 = 29688 ms-2
Um eine Vorstellung von den Abmessungen zu erhalten, vergleicht diese mit der Beschleunigung eines Geschosses, das nur hundert Mal größer ist. Die Kunststoff-Popper hat eine Beschleunigung der dreißigmal weniger!
Mit einer ausreichenden Digitalkamera bereits erwähnt die Heizplatte und einem Thermometer, können quantitativ messen kann, das Biegen der Scheibe gegenüber der Temperatur. Die Scheibe in der Foto wurde auf der Warmhalteplatte flachgelegt und direkt von der Seite fotografiert. In Figur 6 sind zwei Fälle dargestellt. Im unteren Bereich können Sie die Disc Abkühlung von hohen Temperaturen vor dem Erreichen des unteren Fangpunkt zu sehen. An der Spitze ist die Scheibe Aufheizen von niedrigen Temperaturen nach dem Schnapp Zustand gezeigt. Aus Bildern wie diese, kann die Form der Platte mit einer Genauigkeit von mindestens 0,1 mm (Figur 7) bestimmt werden. Der Abstand der Scheibe ohne Bleche unter der Mitte beschleunigt ist etwa s = 0,70 mm (Abbildung 7). Dies wird später noch genauer untersucht werden. Die folgende Berechnung kann die Zeit für die Anfangssprungprozess grob geschätzt werden.

t = sqrt (2 a / s) = Sqrt (2 0,0007 / 29688) = 2,172 10-4 s = 217 & mgr; s Schritt 3: Von der technischen Verwendung auf spielerische Anwendung 2/2

Experimentelle Analyse von parabolischen Bimetall-Shell

Experimentelle Analyse von parabolischen Bimetall-Shell

Experimentelle Analyse von parabolischen Bimetall-Shell

Experimentelle Analyse von parabolischen Bimetall-Shell

Experimentelle Analyse von parabolischen Bimetall-Shell

In unseren Experimenten haben wir uns entschieden, den Anfangsteil der Sprung mit einer entsprechenden Hochgeschwindigkeits-Videokamera zu dokumentieren. In Fig. 9 sind die einzelnen Phasen des Sprungs mit einer Kamera mit 16000 Rahmen pro Sekunde (fps) aufgenommen, gezeigt. Die Auflösung der Kamera ist sehr bei dieser Geschwindigkeit begrenzt. Die Differenz zwischen jedem Bild ist 62 & mgr; s. Der Beginn der Sprung relativ langsam erfolgt. Im Bild mit 250 & mgr; s ist Schwebe der Scheibe sehr verengte aber deutlich sichtbar über der Oberfläche. Im Bild bei 312 & mgr; s hat bereits die Scheibe Kontakt mit der Oberfläche. Dann wird die Platte über der Oberfläche gezeigt, und springt mit einer Geschwindigkeit von 3,6 m / s, so kann sehr genau von dem Video abgeleitet werden. Dies steht im Einklang mit dem Wert von 3,5 m / s zu Beginn des Sprunghöhe berechnet. Zusammen mit den Messungen für die Form der Scheibe können einige Reflexionen und Schätzungen vorgenommen werden.
Der obere Teil der Fig. 10 zeigt die Form des Bimetall-flache Schale kurz vor dem Start. Der Massenschwerpunkt (roter Punkt) in einem Abstand von etwa 0,30 mm (± 0,05 mm) von der Oberfläche, die nur geschätzt werden kann aufgrund der unregelmäßigen Form des Bimetall flachen Schale befinden. Zu Beginn des Sprengverfahren das Zentrum der Bimetall flachen Schale nach unten bewegt, was etwa 250 & mgr; s dauert. Innerhalb dieser Zeit fällt das Bimetall-flache Schale nach unten nur durch
0,5 10 ms-2 (0,25 10-3 s) 2 = 0,312 & mgr; m
aufgrund der Gravitation. Daher muss der Rand der Bimetall flachen Schale nach oben zu bewegen, weil der Massenmittelpunkt bleibt nahezu konstante Höhe. Die Phase, bei 250 & mgr; s in Fig. 9, wobei das Bimetall-flache Schale schwebt über der Oberfläche, zeigt dies deutlich. Das Zentrum der Bimetall flachen Schale bewegt sich weiter abwärts, bis er die Oberfläche bei etwa 270 & mgr; s (± 10 us) berührt. Es ist erst jetzt, dass die Beschleunigung des Bimetall-flache Schale beginnt, fortgesetzt wird, bis das Bimetall-flache Schale ist komplett gebogen. Bei etwa 330 & mgr; s (± 10 & mgr; s), hebt das Bimetall-flache Schale von der Oberfläche. Der Massenschwerpunkt kann nun genauer bei etwa 0,50 mm (± 0,05 mm) über der Oberfläche angebracht werden, dass der Massenmittelpunkt einer dünnen Kalotte genau die Hälfte der height.    finden 
Durch die Vereinfachungen hier gemacht wird, kann Kongruenz nur innerhalb eines bestimmten Größenordnung zu erwarten.
Feige. 9 zeigt auch, dass die Bimetall-flache Schale springt, wenn sie auf der Oberfläche platziert die "falsche Richtung", dies bedeutet, konvexe Seite nach unten. In diesem Fall wird die Kante der Platte nach unten beschleunigt, berührt die Oberfläche und damit die Bimetall flachen Schale springt nach oben. Dieser Effekt ist noch stärker, wenn das Bimetall flachen Schale auf einem Ring mit einem Durchmesser von etwa 25 mm, wie auf dem Hals eines offenen bottle.Step 4 gesetzt: Conslusion


Die Arbeit stellt einige wichtige technische Informationen zu sphärischen Bimetall flachen Schalen und untersucht die physikalischen Phänomen der Snap-in. Es wird gezeigt, wie durch einfache Messungen und Berechnungen, können wir die Anfangsgeschwindigkeit, die Beschleunigung und die unteren und oberen Schnapptemperatur zu bestimmen. Von High-Speed-Kameraaufnahmen wurde festgestellt, dass die Bimetall-flache Schale springt mit einer Geschwindigkeit von 3,6 m / s. Ein Vergleich dieser einfachen Berechnung, wo die Anfangsgeschwindigkeit direkt von der Sprunghöhe berechnet und beträgt 3,5 m / s, ein Berechnungsfehler von 2,8%. Wir können feststellen, dass die Untersuchungen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera bieten einen noch tieferen Einblick in das Phänomen der Snap-in durch sphärische Bimetall flachen Schalen.