Banyak proses domestik, komersial, dan industri bergantung pada bimetal termostatik untuk aplikasi aktuasi listrik atau mekanik. Bimetal dapat ditemukan di banyak saklar kontrol seperti termostat awal, jam, pemutus sirkuit, dan peralatan listrik.
Pengertian
Bimetal (atau termostatik) adalah lembaran logam atau strip dari dua atau lebih material komposit yang memiliki koefisien ekspansi termal linier yang berbeda yang diikat dengan rivet, brazing, atau welding. Bahan dengan koefisien ekspansi termal (CTE) yang lebih besar dianggap sebagai komponen aktif, dan CTE yang lebih kecil adalah komponen pasif. Komponen aktif biasanya memiliki paduan yang mengandung besi, mangan, nikel, atau krom dalam jumlah yang bervariasi. Sedangkan di sisi pasif, invar sering dipilih, paduan besi-nikel yang mengandung 36% nikel. Beberapa bimetal menyertakan lapisan ketiga tembaga atau nikel di antara sisi aktif dan pasif untuk meningkatkan konduktivitas termal dan mengurangi resistivitas listrik material.
Sifat bimetal
Bimetal bekerja dengan kecenderungan logam untuk mengembang saat dipanaskan, dan berkontraksi saat didinginkan. Perubahan kelengkungan yang dihasilkan, atau tekukan, sebagai respons terhadap perubahan suhu, adalah sifat dasar dari semua bimetal termostatik. Efeknya, perubahan suhu diubah menjadi perpindahan mekanis. Perilaku bimetal dapat diprediksi dan diulang. Komponen yang digunakan untuk bimetal dipilih untuk karakteristik suhu mereka serta konduktivitas termal, stabilitas, kekuatan, kemampuan kerja, dan sifat listrik.
Fleksibilitas
Karakteristik dasar dari bimetal adalah fleksibilitas, juga dikenal sebagai kelengkungan spesifik. Ini adalah sifat penting bimetal yang ditentukan oleh perubahan kelengkungan sepanjang sumbu longitudinalnya. Ini dinyatakan sebagai:
dimana,
- F = fleksibilitas (° F-1) (SI: ° C-1) *
- R2, R1 = jari-jari kelengkungan sisi aktif dan pasif, masing-masing (dalam) (SI: mm)
- T = ketebalan strip (dalam) (SI: mm)
- T2, T1 = suhu (° F) (SI: ° C)
* Ini hanya mewakili satuan SI setelah dikonversi secara matematis dari sistem standar. Ini bukan unit standar. Ini mengikuti serupa di seluruh teks kecuali dinyatakan sebaliknya.
Dan untuk balok sederhana:
dimana,
- L = jarak antara titik dukungan (dalam) (SI: mm)
- B = gerakan (dalam) (SI: mm)
Jari-jari kelengkungan
Selain itu, persamaan di bawah ini menunjukkan kelenturan atau jari-jari kelengkungan strip bimetal. Di sini, kita bisa melihat faktor-faktor yang mempengaruhi tekukan bimetal dan hubungannya:
dimana,
- ρ = jari-jari kelengkungan strip (dalam) (SI: mm)
- α1 = koefisien strip pertama ekspansi (° F-1) (SI: ° C-1)
- α2 = koefisien strip kedua ekspansi (° F-1) (SI: ° C-1)
- T0, T1 = suhu (° F) (SI: ° C)
- E1 = modulus elastisitas untuk strip pertama (psi) (SI: Pa)
- E2 = modulus elastisitas untuk strip kedua (psi) (SI: Pa)
- t1, t2 = ketebalan masing-masing komponen (dalam) (SI: mm)
- t = ketebalan strip terikat (dalam) (SI: mm)
- n = E1 / E2
- m = t1 / t2
Persamaan ini menunjukkan bahwa tekuk bimetal termostatik berbanding lurus dengan perubahan suhu strip komponen dan perbedaan CTE, dan berbanding terbalik dengan ketebalan strip gabungan. Jari-jari kelengkungan juga dipengaruhi oleh rasio ketebalan dan rasio moduli elastisitas dua strip.
Hambatan listrik dan konduktivitas termal
Untuk aplikasi di mana panas dihasilkan dengan melewatkan arus listrik melalui bimetal, pengetahuan tentang resistivitas listrik dan konduktivitas termal sebagai parameter untuk perubahan suhu adalah penting. Ini berlaku untuk banyak bimetal yang digunakan sebagai pemutus sirkuit. Untuk resistor, persamaan di bawah ini menunjukkan bagaimana kenaikan suhu dapat diturunkan:
dimana,
- ΔT = kenaikan suhu (° C)
- I = saat ini (A)
- ε = tahanan listrik (μΩ)
- θ = waktu
- c = kapasitas panas spesifik (J / g ° C), diperkirakan 0,502 untuk semua Bimetal
- d = kepadatan (g / cm3)
- w = lebar (mm)
- t = total ketebalan (mm)
Dengan menggunakan faktor konversi yang mudah digunakan, rumus yang sama dapat diturunkan dalam satuan bahasa Inggris.
Kegunaan bimetal
Indikasi suhu
Bimetal digunakan untuk indikasi suhu seperti pada termometer pointer yang digerakkan spiral atau heliks. Termometer semacam itu membantu mengukur suhu di kantor, lemari es, dan bahkan pada sayap pesawat terbang. Tebal bimetal jenis ini biasanya 0,005 in (0,127 mm) hingga 0,015 in (0,381 mm), dan koil dipasang ke skala pointer karena menghasilkan torsi yang cukup untuk memindahkan pointer dengan bebas. Kisaran suhu yang dicakup oleh bimetal memanjang antara -50 ° F dan 1000 ° F (-46 ° C dan 538 ° C). Tingkat defleksi sudut biasanya pada 2,5-3 ° per derajat Fahrenheit [4].
Pengatur suhu
Bimetal digunakan sebagai alat untuk mengontrol suhu, seperti termostat suhu kamar. Pada perangkat tersebut, bimetal blade memiliki titik kontak pembawa arus yang terhubung ke titik kontak statis yang digabungkan. Hal ini memungkinkan pergantian sirkit otomatis untuk mengontrol pemanasan dan pendinginan perangkat listrik ketika bilah melengkung ketika suhu tertentu tercapai.
Kopling tabung dan pipa
Untuk aplikasi kriogenik, non-magnetik, dan nuklir di mana sifat logam harus diganti secara andal, kopling bimetal digunakan untuk memungkinkan koneksi langsung dan transisi untuk pipa dan tabung dengan CTE yang berbeda. Alat kelengkapan ini juga dapat digunakan dalam aplikasi transfer panas lainnya.
Kontrol fungsi
Dengan memasukkan panas ke bimetal – atau yang dikenal sebagai pemanasan tambahan – fungsi perangkat yang mengandung bimetal dapat dikontrol. Pemutus sirkuit dan perangkat waktu tunda adalah contoh dari perangkat ini. Fungsi relatif seperti arus dan waktu dapat dikontrol dengan memasang bimetal sebagai elemen aktif dalam perangkat.
