Тепловые исполнительные микроустройства систем контроля

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Изучить устройство и принцип работы тепловых исполнительных микроустройств систем контроля.

 

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

 

2.1. Изучить особенности конструктивных исполнений тепловых исполнительных микроустройств систем контроля.

2.2. Изучить технические и конструктивные характеристики тепловых исполнительных микроустройств систем контроля

2.3. Определить технические характеристики тепловых исполнительных микроустройств систем контроля.

 

3. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Тепловые исполнительные микроустройства (тепловые актюаторы) используют как линейное или объёмное расширение жидкости или газа, так и деформацию формы вследствие биметаллического эффекта, которые имеют место благодаря изменению температуры. Биметаллический актюатор (рис. 5.1) выполнен в виде балки из одного материала (например, кремний) и слоя из другого материала (например, алюминий).

Вследствие разного коэффициента теплового расширения при нагревании один материал расширяется быстрее, чем другой, и балка изгибается. Нагревание можно производить, также пропуская через это устройство электрический ток.

 

Рис. 5.1. Расчетная схема биметаллического актюатора

 

Для расчета рабочих характеристик задают геометрические параметры: толщина слоя материала S_Si (μ м), S_Al (μ м), длина рабочего участка l (μ м), ширина w (μ м).

Также при расчетах задают электромагнитные характеристики материалов, например:

α _{S i}=3.3× 10^-6 (К^-1); c_pSi =0.71× 10³ (Вт с/(кг К)); ρ _Si =2.33× 10³ (кг/м³); E_Si =150× 10⁹ (Н/м²); κ _{S i}=150 (Вт/м К).

α _Al =23× 10^-6 (К^-1); c_pAl =0.9× 10³ (Вт с/(кг К)); ρ _Al =2.7× 10³ (кг/м³);

E_Al =70× 10⁹ (Н/м²); κ _Al =230 (Вт/м К).

Порядок расчета включает этапы.

1) Выбираем общую теплоёмкость пластины:

(). (5.1)

2) Выбираем скорость переключения актюатора τ (мс),

3) Тепловое сопротивление определяется как:

(). (5.2)

4) Выбираем разницу рабочих температур актюатора ∆ T (К).

5) Тепловое расширение балки (без силы сжатия пружины) получается равным:

(μ м). (5.3)

6) Для достижения максимальной эффективности жесткость пружины c выбрана так, чтобы сила противодействия уменьшала прогиб вдвое.

(μ м). (5.4)

Для расчета жесткости пружины достаточно принять жесткость материала пружины по изгибу равным EI =68.4× 10^-12 Нм² и выразить из выражения (5.4) прогиба жёсткость пружины c (Н/м).

7) Механическая работа, совершающая действие на нагрузку (пружину) получается из выражения:

(Вт с). (5.5)

Результаты расчетов показывают, что тепловые актюаторы могут создавать относительно большие силы, однако конструкции, позволяющие это сделать с позиции эффективного использования энергии, отсутствуют. Результат становится более хорошим при увеличении разницы между коэффициентами теплового расширения α и при большем изменении температуры ∆ T.

 

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

4.1. Изучить теоретический материал.

4.2. Получить задание на выполнение работы (см. табл. 5.1).

4.3. Выполнить поэтапно расчет рабочих параметров биметаллического актюатора, используя вормулы (5.1-5.5)

Таблица 5.1

 

Данные	Варианты
SSi (мм)
SAl (мм)
l ( мм )
w ( мм )
∆ T (K)
τ (cек)	0, 01	0, 02	0, 03	0, 04	0, 05	0, 06	0, 06	0, 05	0, 04	0, 03

 

Данные	Варианты
SSi (мм)	12, 5	12, 7	12, 6	12, 7	13, 5	13, 4	13, 6	14, 1	14, 3	15, 6
SAl (мм)
l ( мм )	13, 6	14, 5	15, 4	17, 8	18, 9	12, 7	15, 9	18, 8	13, 6	14, 5
w ( мм )	19, 8	12, 5	11, 2	13, 8	13, 5	12, 5	13, 8	13, 5	13, 2	15, 3
∆ T (K)
τ (cек)	0, 01	0, 02	0, 03	0, 04	0, 05	0, 06	0, 06	0, 05	0, 04	0, 03

 

4.4. Сделать заключение по полученным результатам.

 

 

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

Отчет должен содержать:

5.1. Расчеты, выполненные в последовательности, соответствующей общему порядку выполнения работы.

5.2. Оценку данных, полученных в результате расчетов.

 

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

6.1. На каком физическом эффекте основа работа тепловых микроустройств систем контроля?

6.2. Каково устройство биметаллического актюатора?

6.3. Каковы исходные данные для расчета рабочих параметров тепловых микроустройств систем контроля.

6.4. Для чего нужна пружина в конструкции тепловых микроустройств систем контроля?

6.5. Назовите основные этапы расчета тепловых микроустройств систем контроля.

6.6. Что такое механическая работа биметаллического актюатора?

6.7. Обоснуйте необходимость выбора диапазона температур при расчете актюатора.