Bande bi-métal - Bimetallic strip

Schéma d'un bilame montrant comment la différence de dilatation thermique des deux métaux entraîne un déplacement latéral beaucoup plus important de la bande

Une bobine bimétallique d'un thermomètre réagit à la chaleur d'un briquet, en se déroulant puis en se rebobinant lorsque le briquet est retiré.

Un bilame est utilisé pour convertir un changement de température en déplacement mécanique. La bande se compose de deux bandes de métaux différents qui se dilatent à des vitesses différentes lorsqu'elles sont chauffées. Les différentes dilatations forcent la bande plate à se plier dans un sens si elle est chauffée, et dans la direction opposée si elle est refroidie en dessous de sa température initiale. Le métal avec le coefficient de dilatation thermique le plus élevé se trouve du côté extérieur de la courbe lorsque la bande est chauffée et du côté intérieur lorsqu'il est refroidi.

L'invention du bilame est généralement attribuée à John Harrison , un horloger du XVIIIe siècle qui l'a fabriqué pour son troisième chronomètre de marine (H3) de 1759 pour compenser les changements de température du spiral . L'invention de Harrison est reconnue dans le mémorial qui lui est dédié à l'abbaye de Westminster , en Angleterre.

Cet effet est utilisé dans une gamme d'appareils mécaniques et électriques.

Caractéristiques

La bande se compose de deux bandes de métaux différents qui se dilatent à des vitesses différentes lorsqu'elles sont chauffées, généralement de l' acier et du cuivre , ou dans certains cas de l'acier et du laiton . Les bandes sont assemblées sur toute leur longueur par rivetage , brasage ou soudage . Les différentes dilatations forcent la bande plate à se plier dans un sens si elle est chauffée, et dans la direction opposée si elle est refroidie en dessous de sa température initiale. Le métal avec le coefficient de dilatation thermique le plus élevé se trouve du côté extérieur de la courbe lorsque la bande est chauffée et du côté intérieur lorsqu'il est refroidi. Le déplacement latéral de la bande est beaucoup plus important que la faible dilatation longitudinale de l'un ou l'autre des deux métaux.

Dans certaines applications, le bilame est utilisé sous forme plate. Dans d'autres, il est enveloppé dans une bobine pour plus de compacité. La plus grande longueur de la version enroulée donne une sensibilité améliorée.

La courbure d'une poutre bimétallique peut être décrite par l'équation suivante :

\kappa ={\frac {6E_{1}E_{2}(h_{1}+h_{2})h_{1}h_{2}\epsilon }{E_{1}^{2}h_ {1}^{4}+4E_{1}E_{2}h_{1}^{3}h_{2}+6E_{1}E_{2}h_{1}^{2}h_{2}^ {2}+4E_{1}E_{2}h_{2}^{3}h_{1}+E_{2}^{2}h_{2}^{4}}}

où et est le rayon de courbure, et sont le module d'Young et la hauteur (épaisseur) du matériau un et et sont le module d'Young et la hauteur (épaisseur) du matériau deux. est la déformation de décalage, calculée par : ${\style d'affichage \kappa =1/R}$ ${\style d'affichage R}$ ${\style d'affichage E_{1}}$ ${\style d'affichage h_{1}}$ ${\style d'affichage E_{2}}$ $h_{2}$ ${\style d'affichage \epsilon }$

\epsilon =(\alpha _{1}-\alpha _{2})\Delta T\,

où α ₁ est le coefficient de dilatation thermique du matériau un et α ₂ est le coefficient de dilatation thermique du matériau deux. ΔT est la température actuelle moins la température de référence (la température à laquelle la poutre n'a pas de flexion).

Dérivation du rayon de courbure

Soit la couche du côté concave la couche 1 et celle du côté convexe la couche 2, et les épaisseurs de chacune sont respectivement et . La couche 1 est en tension avec une force vers l'extérieur à chaque extrémité de , tandis que la couche 2 est comprimée avec une force vers l'intérieur à chaque extrémité de . Parce que le système est en équilibre . ${\style d'affichage h_{1}}$ $h_{2}$ ${\style d'affichage F_{1}}$ ${\style d'affichage F_{2}}$ ${\style d'affichage F_{1}=F_{2}=F}$

A chaque extrémité de la couche 1 il y a un moment fléchissant , et de même pour la couche 2. Si est le rayon de courbure, alors et où est la rigidité en flexion , est le module d'Young et est le deuxième moment de l'aire . Pour une section rectangulaire de largeur , et . Le couple produit par les forces agissant le long des lignes médianes de chaque couche et séparées par est , et encore parce que la bande est en équilibre et qu'il n'y a pas de couples externes appliqués, . D'où ${\style d'affichage M_{1}}$ ${\style d'affichage R}$ $M_{1}=E_{1}I_{1}/R$ ${\style d'affichage M_{2}=E_{2}I_{2}/R}$ $EI$ ${\style d'affichage E}$ ${\style d'affichage I}$ ${\style d'affichage w}$ $I_{1}=wh_{1}^{3}/12$ $I_{2}=wh_{2}^{3}/12$ ${\style d'affichage F}$ $h_{1}/2+h_{2}/2=h/2$ ${\style d'affichage Fh/2}$ $Fh/2=M_{1}+M_{2}$

{\frac {Fh}{2}}={\frac {w}{12R}}(E_{1}h_{1}^{3}+E_{2}h_{2}^{3} )

.

Considérons maintenant la surface de contact entre les deux couches. La longueur de cette surface pour la couche 1 est où est la température à laquelle la bande est droite, est la longueur de la couche lorsque la température (c'est-à-dire lorsqu'elle est droite et sans contrainte de la couche 2), et est le coefficient de expansion (l'augmentation fractionnaire de la longueur par unité d'augmentation de la température). Le deuxième terme est ici clairement le changement fractionnaire de longueur produit par la dilatation thermique, le troisième terme est la déformation induite par la contrainte due à la force agissant sur la surface de l'extrémité (positive car la force est de traction). Le dernier terme est la longueur supplémentaire de la surface de contact par rapport à la ligne médiane de la couche 1 (positive car la surface de contact est la surface extérieure convexe). De même, la longueur de cette surface pour la couche 2 est (signe moins car la force est compressive et le contact est sur la surface intérieure). Puisque les surfaces sont collées, $L_{0}(1+\alpha _{1}(T-T_{0})+F_{1}/wh_{1}E_{1}+h_{1}/2R)$ ${\style d'affichage T_{0}}$ ${\style d'affichage L_{0}}$ ${\style d'affichage T=T_{0}}$ $\alpha _{1}$ $F_{1}/wh_{1}$ ${\style d'affichage F_{1}}$ $L_{0}(1+\alpha _{2}(T-T_{0})-F_{2}/wh_{2}E_{2}-h_{2}/2R)$

\alpha _{1}(T-T_{0})+{\frac {F}{wh_{1}E_{1}}}+{\frac {h_{1}}{2R}}= \alpha _{2}(T-T_{0})-{\frac {F}{wh_{2}E_{2}}}-{\frac {h_{2}}{2R}}

.

Réorganiser pour extraire , collecter les termes et éliminer à l'aide de l'équation ci-dessus produit l'équation de l'article principal. ${\style d'affichage \kappa =1/R}$ ${\style d'affichage F}$ ${\style d'affichage \kappa }$

Un aperçu peut être obtenu si le résultat qui vient d'être donné est multiplié en haut et en bas par ${\style d'affichage (h_{1}+h_{2})/E_{1}E_{2}h_{1}^{2}h_{2}^{2}}$

\kappa ={\frac {6(r_{h}+2+r_{h}^{-1})}{r_{E}r_{h}^{2}+4r_{h}+6 +4r_{h}^{-1}+r_{E}^{-1}r_{h}^{-2}}}{\frac {\epsilon }{h}}

où , et . Puisque pour small , qui est insensible à en raison de l'absence de termes de premier ordre, alors nous pouvons approximer pour proche de l'unité (et insensible à ), et pour proche de l'unité (et insensible à ). Ainsi, à moins que ou soient très éloignés de l'unité, nous pouvons approximer . $h=h_{1}+h_{2}$ $r_{h}=h_{1}/h_{2}$ $r_{E}=E_{1}/E_{2}$ ${\style d'affichage (1+x)+(1+x)^{-1}\environ 2+O(x^{2})}$ ${\style d'affichage x}$ ${\style d'affichage x}$ $r_{h}+r_{h}^{-1}\environ 2$ ${\style d'affichage r_{h}}$ ${\style d'affichage r_{h}}$ $r_{E}r_{h}^{2}+r_{E}^{-1}r_{h}^{-2}\environ 2$ $r_{E}r_{h}^{2}$ $r_{E}r_{h}^{2}$ ${\style d'affichage r_{h}}$ ${\style d'affichage r_{E}}$ $\kappa \environ 3\epsilon /2h$

Histoire

Mémorial de John Harrison à l'abbaye de Westminster, Londres

Le premier bilame survivant a été fabriqué par l' horloger du XVIIIe siècle John Harrison, qui est généralement crédité de son invention. Il l'a fait pour son troisième chronomètre de marine (H3) de 1759 pour compenser les changements induits par la température dans le spiral . Il ne faut pas le confondre avec le mécanisme bimétallique de correction de la dilatation thermique dans son pendule en grille . Ses premiers exemples avaient deux bandes de métal individuelles reliées par des rivets, mais il a également inventé la technique ultérieure consistant à fusionner directement du laiton fondu sur un substrat en acier. Une bande de ce type a été installée sur son dernier chronométreur, le H5. L'invention de Harrison est reconnue dans le mémorial qui lui est dédié à l'abbaye de Westminster , en Angleterre.

Applications

Cet effet est utilisé dans une gamme d'appareils mécaniques et électriques.

Horloges

Les mécanismes d' horlogerie mécaniques sont sensibles aux changements de température car chaque pièce a une tolérance minime et cela conduit à des erreurs de chronométrage. Un bilame est utilisé pour compenser ce phénomène dans le mécanisme de certains garde-temps. La méthode la plus courante consiste à utiliser une construction bimétallique pour la jante circulaire du balancier . Ce qu'il fait, c'est déplacer un poids de manière radiale en regardant le plan circulaire vers le bas par le balancier, faisant alors varier le moment d'inertie du balancier. Au fur et à mesure que le ressort contrôlant le balancier s'affaiblit avec l'augmentation de la température, le balancier devient plus petit en diamètre pour diminuer la quantité de mouvement d'inertie et maintenir la période d'oscillation (et donc le chronométrage) constante.

De nos jours ce système n'est plus utilisé depuis l'apparition d'alliages à faible coefficient de température comme le nivarox , le parachrom et bien d'autres selon chaque marque.

Thermostats

Thermostat avec serpentin bimétal en (2)

Dans la régulation du chauffage et du refroidissement, des thermostats fonctionnant sur une large plage de températures sont utilisés. Dans ceux-ci, une extrémité du bilame est fixée mécaniquement et reliée à une source d'alimentation électrique, tandis que l'autre extrémité (mobile) porte un contact électrique. Dans les thermostats réglables, un autre contact est positionné avec un bouton ou un levier de régulation. La position ainsi réglée contrôle la température régulée, appelée point de consigne .

Certains thermostats utilisent un interrupteur à mercure connecté aux deux fils électriques. L'angle de l'ensemble du mécanisme est réglable pour contrôler le point de consigne du thermostat.

Selon l'application, une température plus élevée peut ouvrir un contact (comme dans une commande de chauffage ) ou elle peut fermer un contact (comme dans un réfrigérateur ou un climatiseur ).

Les contacts électriques peuvent contrôler l'alimentation directement (comme dans un fer à repasser domestique) ou indirectement, en commutant l'alimentation électrique via un relais ou l'alimentation en gaz naturel ou en mazout via une vanne électrique. Dans certains appareils de chauffage au gaz naturel, l'alimentation peut être fournie par un thermocouple qui est chauffé par une veilleuse (une petite flamme allumée en continu). Dans les appareils sans veilleuse pour l'allumage (comme dans la plupart des sécheuses à gaz modernes et certains appareils de chauffage au gaz naturel et foyers décoratifs), l'alimentation des contacts est fournie par une alimentation électrique domestique réduite qui actionne un relais contrôlant un allumeur électronique, soit un appareil de chauffage à résistance ou un dispositif générateur d' étincelles alimenté électriquement .

Thermomètres

Un thermomètre à cadran indicateur direct , courant dans les appareils ménagers (comme un thermomètre de patio ou un thermomètre à viande), utilise un bilame enveloppé dans une bobine dans sa conception la plus courante. La bobine transforme le mouvement linéaire de l'expansion du métal en un mouvement circulaire grâce à la forme hélicoïdale qu'elle dessine. Une extrémité de la bobine est fixée au boîtier de l'appareil en tant que point fixe et l'autre entraîne une aiguille indicatrice à l'intérieur d'un indicateur circulaire. Un bilame est également utilisé dans un thermomètre enregistreur . Le thermomètre de Breguet est constitué d'une hélice trimétallique afin d'avoir un résultat plus précis.

Moteur thermique

Les moteurs thermiques ne sont pas les plus efficaces, et avec l'utilisation de bilames, l'efficacité des moteurs thermiques est encore plus faible car il n'y a pas de chambre pour contenir la chaleur. De plus, les bilames ne peuvent pas produire de force dans ses mouvements, la raison en est que pour obtenir des flexions (mouvements) raisonnables, les deux bandes métalliques doivent être minces pour faire la différence entre l'expansion perceptible. Ainsi, les utilisations des bandes métalliques dans les moteurs thermiques concernent principalement des jouets simples qui ont été construits pour démontrer comment le principe peut être utilisé pour entraîner un moteur thermique .

Appareils électriques

Les bilames sont utilisés dans les disjoncteurs miniatures pour protéger les circuits contre les surintensités. Une bobine de fil est utilisée pour chauffer un bilame, qui se plie et actionne une liaison qui déverrouille un contact à ressort. Cela interrompt le circuit et peut être réinitialisé lorsque le bilame a refroidi.

Bilames sont également utilisés dans les relais de temporisation, four gaz soupapes de sécurité, Clignotants thermiques pour les anciennes Clignotants lampes et entrées de lampes fluorescentes . Dans certains appareils, le courant traversant directement le bilame est suffisant pour le chauffer et actionner directement les contacts. Il a également été utilisé dans les régulateurs de tension PWM mécaniques à usage automobile.

Voir également

Interrupteur thermostatique

Les références

Remarques

Liens externes

Vidéo d'un fil bimétallique circulaire alimentant un petit moteur à eau glacée . Consulté en février 2011.
Vidéo d'un moteur à bobine bimétallique (entre autres Curie, Stirling et Hero)

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