Описание конструкции и принцип работы средства измерения

Мембраны и мембранные коробки применяют в качестве упругих чувствительных элементов при измерении давления в пределах от 102 до 107 Па. Мембрана представ­ляет собой круглую гибкую пластину, жестко закрепленную на пе­риферии. В большинстве случаев мембрану снабжают жестким цент­ром, т.е. припаянной или приваренной к ней круглой пластинкой, на которой укреплено устройство (шарнир, кулачок и др.), связывающее мембрану с множительно-передаточным механизмом.

Мембраны по их геометрической форме разделяют на плоские (рисунок 3.1, а), гофрированные с краевым гофром (рисунок 3.1, б) и гоф­рированные без краевого гофра (рисунок 3.1, в). Очень часто гофриро­ванные мембраны с краевым гофром соединяют в мембранную коробку (рисунок 3.1, г). Иногда мембраны выполняют роль эластичных герме­тизаторов (рисунок 3.1, д), тогда они снабжены большим жестким цент­ром. Измерительные мембраны обычно выполняют из высококачест­венных пружинных сталей и бронз, т.е. из тех же материа­лов, что и трубчатые пружины, а герметизирующие мембраны — из эластичных неметаллических материалов.

Рисунок 3.1 - Основные типы мембран

Рабочий диаметр (диаметр по контуру крепления) мембраны или мембранной коробки в основном определяется размерами корпуса при­бора и обычно колеблется в пределах от 10 до 300 мм. Диаметр жест­кого центра у металлических мембран составляет 0,1 — 0,5, а у неме­таллических - 0,7 — 0,8 от рабочего диаметра. Толщина металличе­ских мембран 0,06 — 1,5 мм, неметаллических - 0,1 — 5 мм. Пло­ские мембраны применяют в тех случаях, когда рабочий ход состав­ляет малую долю толщины мембраны, например в пьезоэлектрических датчиках. Плоские мембраны часто выполняют как одно целое с корпу­сом датчика, что обеспечивает полную герметичность и одновременно освобождает корпус датчика от напряжений, возникающих при затяж­ке уплотнительного устройства, необходимого для герметизации места закрепления отдельной мембраны. Если от упругого чувстви­тельного элемента требуется возможно больший рабочий ход, то при­меняют гофрированные мембраны. Соединение двух мембран в короб­ку (рисунок. 3.1, г) удваивает рабочий ход и радикально решает пробле­му герметизации.

В сигнализаторах, где для надежного срабатывания требуется скачкообразное перемещение жесткого центра мембраны при достижении давлением заданного значения, применяют (рисунок. 3.1, е) выпуклые мембраны (сферической или конической формы), получаемые деформа­цией плоских или гофрированных мембран. При нагружении мембраны с выпуклой стороны происходит потеря устойчивости и мембрана скачком меняет свой прогиб. Все металлические мембраны имеют нелиней­ную характеристику λ0 = f (p), где λ0 — перемещение центра мембра­ны, а p — измеряемое давление. Начальный участок обычно близок к линейному, но далее кривая плавно затухает. Если сравнить характеристики мембран различного типа, но выполненных из одинакового материала и с одинаковыми значениями рабочего диаметра, диаметра жесткого центра и толщины, то окажется (рисунок. 3.2), что наибольшее затухание имеет характеристика плоской мембраны (кривая 1). Харак­теристика гофрированной мембраны без краевого гофра и мембраны с цилиндрическим краевым гофром (кривая 2) подобна характеристике плоской мембраны, но обладает меньшим затуханием и соответственно более длинным линейным участком. Характеристика мембраны с то­роидальным краевым гофром (кривая 3) имеет начальный участок с отрицательной кривизной, а выпуклая мембрана, нагруженная давле­нием с выпуклой стороны, имеет характеристику релейного типа (кривая 4). Сопоставление приведенных кривых свидетельствует о том, что в пределах начального участка характеристики наибольшую чувстви­тельность имеет плоская мембрана, а наименьшую — выпуклая и мем­брана с тороидальным краевым гофром.

Рисунок 3.2 – Типичные характеристики мембран

Гофрирование плоской мембраны, т.е. выдавливание на ее поверхности кольцевых волн, преследует две основные цели: увеличение эластичности мембраны в радиальном направ­лении (что приводит к возрастанию рабочего хода) и получение воз­можности влиять на характеристику мембраны за счет изменения глу­бины и формы гофра. В настоящее время наиболее употребительны мембраны (рисунок. 3.3) с пильчатым (рисунок 3.3, а), трапецеидальным (рисунок 3.3, б), синусоидальным (рисунок 3.3, е), плоскодуговым (рисунок. 3.3, г) и апериодическим (рисунок 3.3, д) гофрами, а также мем­браны с тороидальным (рисунок 3.3, г) и цилиндрическим (рисунок 3.3, ж) краевыми гофрами.

Рисунок 3.3 – Профили гофрированных мембран

Основные факторы, влияющие на характеристику мембраны дан­ной толщины, — это глубина гофрировки и форма краевого гофра. Влияние формы и числа остальных поверхностных гофров сравни­тельно невелико. Поэтому форму поверхностных гофров выбирают из конструктивных и технологических соображений. При этом учитывают, что получение пильчатого и трапецеидального гофров требует более простой и дешевой технологической оснастки, чем получения гофров с плавными очертаниями (синусоидального и апериодического), но у них возникает силовая концентрация напряжений на ребрах гофров. При прочих равных условиях концентрация напряжений тем выше, чем толще мембрана. Поэтому мембранам из толстого материала при­дают плавную гофрировку, чаще всего синусоидальную, характеризую­щуюся значительно меньшей концентрацией напряжения по сравнению с пильчатой. Сильное влияние формы краевого гофра на характеристи­ку мембраны объясняется тем (рисунок 3.4), что контур сопряжения цен­тральной гофрированной части и краевого гофра может получать ра­диальное смещение. Если сме­щение направлено от центра мембраны, то ее жесткость воз­растает и затухание характери­стики увеличивается. Если же смещение направлено к центру мембраны, то жесткость мемб­раны уменьшается и ее характе­ристика может стать возрастаю­щей. Увеличение глубины гоф­рировки приводит к увеличе­нию начальной жесткости мем­браны и уменьшению нелинейности ее характеристики.

Рисунок 3.4 – Влияние радиального смещения контура центральной гофрированной части мембраны на характеристику

Для получения коробок две мембраны с краевым гофром (рисунок 3.5, а) сваривают или спаивают по буртику. Свар­ной шов более прочен и надежен, чем паяный, так как сохраняется лучшая герметичность. При изготовлении коробок высокого давления мембраны часто соединяют по грибковой схеме (рисунок 3.5, б), дающей более прочное соединение буртиков. Коробки для измерения разреже­ния, работающие на сжатие, делают складывающимися во избежание порчи при случайных перегрузках. При пильчатом гофре (рисунок 3.5, в) для обеспечения хорошего совпадения гофр при складывании обе мем­браны формируют вместе на одном штампе. При плоскодуговом про­филе (рисунок 3.5, г) складывающиеся мембраны также способны выдер­жать значительные внешние перегрузки [11].

Рисунок 3.5 – Конструкция мембранных коробок