目前国内各温控器制造厂都采用对温控器逐步加热的方法进行检测,这种方法存在测试时间长、消耗热能多和工作条件差等缺点。加载测试法是一种间接测温方法,不需加热,因此节约大量热能,并能大大改善检测条件,测试装置不仅可以测出温控器的保温温度,还可以作为调整温控器的装置。
1 加载测试原理
温控器是否断开或接通加热电源主要决定于双金属片元件的状态。由两层不同膨胀系数的金属结合而成的元件在受热后发生弯曲和产生推力,引起温控器触头动作,把热能转为机械能。温控器中双金属片工作状况可看成变宽度单支点悬臂梁的受热变化。因此其工作原理可简化成如图1所示。设温控器所在点的温度达到t时断开加热电源,称t为该温控器的断开温度。此时A端需移动f的距离和有p大小的推力才能使温控器动作。一个方向相反的推力p作用在双金属片A端,使产生一个反向外移量fp,因此A点在温度t时实际的位移是ft=f+fp。位移ft与温度t应满足下列关系
式中:K-双金属片材料的比弯曲;t-温控器断开温度;t0-室温;δ-双金属片元件的厚度。
从图1可知,要实现温控器的保温动作,在A点务必要有ft的移动量,即推力p=0时A点所存在的挠度。因此,在A点要产生同样大小的移动量,也可以采用加载的办法来实现。当A点加载到F时,若产生ft大小的移动量,则温控器同样会发生动作,所以载荷F的大小就可表示温控器断开温度的高低。
1.1 载荷F的计算
双金属片的宽度在CB段是变化的,从宽度b1逐步减小到b2,而在BA段是等宽度的(见图1)。因此可采用叠加法计算A载面上的挠度为ft。将原来在A点的作用力为F和挠度为ft的悬臂梁(见图2a)分成两个悬臂梁CB和BA(见图2b、c)。分别求出CB悬臂上B载面的转角θB和挠度fB及BA悬臂梁上A载面的挠度fA,然后相应叠加求出ft。
在C端固定的悬臂梁CB的宽度按等腰梯形变化,宽度比为b2/b1=η,厚度为δ,长度为L1,长度比为L1/L=μ。在x载面作用着弯矩:
然后对式(2)进行积分就可得转角方程和挠度方程:
将x=L1=μL分别代入式(3)和(4),经整理后得B载面上的转角θB和挠度fB的计算式:
从式(5)、(6)中可知,变宽度悬臂梁CB在B载面上的转角θB和挠度fB等于宽为b1的等宽悬臂梁的转角和挠度除以转角系数Cθ和挠度系数Cf。如双金属片全长L都为变宽度即L1=L(μ=1),则B载面上的转角系数Cθ和挠度系数Cf可简化为:
系数CθL和CfL都不会大于1,因此变宽度悬臂梁的结构要比等宽度直条形具有更大的挠度,这种结构使得温控器中的双金属片比等宽度情况能产生较大的移动量。
在叠加时,两悬臂梁的B点相重合,原CB悬臂梁上B载面的转角θB和挠度fB所引起的A端挠度fAB为:
另外,在B端固定的悬臂梁BA上其载面形状不变,宽度b2=ηb1,长度为L(1-μ),在外力F的作用下其A点的挠度fA应为:
双金属片元件的结构确定后,系数CA、Cf和Cθ都是常数,因此系数J也为常数。从上式可知,A点的位移量(挠度)ft为等宽度时的挠度J倍。双金属片在常温下需要ft移动量时载荷F应为:
1.2 载荷F与温控器的保温温度
温控器的加载测试法是在载荷F作用下所引起的位移量等于温控器在温度t时所引起的位移量。因此将式(1)代入式(10)后经整理就可得温控器温度为t时所对应的载荷F的计算公式:
温控器逐步加载至F时,开始断开电源,使它处在断开状态。此时,载荷F为温控器断开载荷,相应的温度t为断开温度。然后慢慢减小载荷至F′时电源又接通,温控器处在闭合状态。此时的载荷F′为温控器的闭合载荷,相应的温度t′为闭合温度。由于动触头上片弹簧等作用,断开载荷F和闭合载荷F′不相同,F>F′,相应的温度t>t′。因此,温控器的断开温度t又称最高保温温度,闭合温度t′称为最低保温温度。这些温度可将各状态时的载荷代入下式求得:
2 加载测试装置的原理
温控器加载测试装置的工作原理如图3所示。温控器被装夹好后,在两接线柱M0、N0两端加上电压+V。温控器闭合时,在M0端的低电平信号通过反相器,逻辑控制电路和脉冲分配器以一定的脉冲频率控制步进电机M的转动,再经齿轮Z1、Z2、丝杆和传感器对双金属片A端进行加载。载荷大小的信息由传感器经放大和A/D转换后输入锁存器。当载荷达到f时,温控器断开。此时M0端处于高电平。一方面高电平信号输至逻辑电路控制步进电机反转,双金属片A端的载荷开始慢慢减小;另一方面信号经或门将A/D转换的数据锁存,把断开载荷F或相应的温度值t分别送至显示器和打印机。在载荷达到闭合载荷F′时温控器接通。此时分别显示和打印出闭合载荷值F′和相应闭合温度t′。测试结束。
参考文献
1.机械工业部仪器仪表工业局 常用电工材料 机械工业出版社 1986年
2.浙江大学等编 材料力学(上册) 人民教学出版社 1979年
3.同济大学数学教研室 高等数学(上册) 人民教学出版社 1981年
4.范茂兴 蔡勇 电饭锅限温、保温温度的模拟测量 无锡轻工业学院学报 1994年(编辑 马立申)
作者：许介卫 吴福明 无锡轻工大学(214036)
