2.3. Измерители давления на основе мембран, сильфонов и других упругих элементов
Мембраны, мембранные коробки и сильфоны являются универсальными первичными преобразователями различных измерительных устройств, например, рассмотренных в параграфах тензометрических, емкостных, с компенсацией магнитных потоков, а также с дифференциально-трансформаторной связью и других преобразователях (см. гл. 5).Использование этих элементов в качестве первичных преобразователей благодаря большой эффективной площади чувствительного элемента обеспечивает высокую точность измерений в большом диапазоне давлений. Наиболее широкое применение мембраны и сильфоны получили для измерения давления малых величин (до 40 кПа).
Мембраны - это упругие с плоской или гофрированной формой поверхности пластины, герметично закрепленные по периметру в жестком корпусе. Диаметр мембраны может составлять от десятков до сотен миллиметров и зависит от граничных габаритных размеров, задаваемого тягового усилия, величины перемещения центра, запаса прочности, метрологической надежности и др.
Для производства мембран в зависимости от конструкции используют легированную сталь, бронзы, латуни, а также резины, пластмассы, упрочненные капроновыми тканями, металлическими или стеклянными нитями, и др.
Ранее при производстве гофрированных мембран применялись фосфористые и оловянистые бронзы. Для изготовления сильфонов использовали полутомпак – медноцинковый сплав Л60 или сплав М016. Позднее для изготовления мембран начали применять бериллиевые бронзы Бр.Б2 и Бр.Б2,5, относящиеся к дисперсионно-твердым сплавам. снижение в последующем в этих сплавах бериллия, небольшое (доли процента) повышение никеля и титана позволили получить сплавы БНТ1,7 и БНТ1,8, имеющие по своим характеристикам преимущества перед бериллиевыми бронзами.
уникальными свойствами обладает сталь 36НХТЮ (36 % никеля, 12 % хрома, 3 % титана), обеспечивающая работоспособность при температурах до 250 оС, а также сталь марки 36НХТЮМ5 (М8), используемая до температур 300-320 оС, а в некоторых случаях – до 400 оС и выше.
Основой для изготовления гофрированных мембран являются тонкие (от 0,05 до 2 мм) металлические листы, обрабатываемые штамповкой, обеспечивающей хорошую повторяемость характеристик единой производимой партии.
Характеристики мембран существенно зависят от конструктивных особенностей (рис. 2.17). Так, плоские мембраны имеют явно затухающую характеристику, гофрированные из-за волноообразной поверхности при оптимальном выборе размеров и формы гофров – близкую к линейной. Выпуклые (хлопающие) мембраны нашли специальное применение в различных контактных устройствах.
При использовании мембран для измерения небольшого давления на вид зависимости прогиба упругого чувствительного элемента от величины воздействия могут оказывать влияние особенности краевой заделки. Устранение такого влияния достигается противодействием возвращающим мембрану в первоначальное состояние. Такой метод применяют, когда исключена возможность пробоотбора, а также при необходимости проведения измерений давления в зонах с высокими температурными параметрами без значительного теплоотвода.
Рис. 2.17. Характеристики различных видов мембран:
а – плоская;
б – гофрированная; в – выпуклая (хлопающая)
Мембранная система измерения давления с электрической индикацией для высокоточных измерений (исследований) основана не на прогибе мембраны, а на удержании этой мембраны в нейтральном положении. Давление измеряемой среды воздействует на одну сторону мембраны. Деформации этой мембраны противодействует с другой стороны, например, давление нейтрального газа, поступающего из внешнего источника. Положение мембраны в таких системах отслеживается дополнительным нуль-индикатором.
Известны также методы, в которых давление, вызывающее прогиб мембраны, компенсируется электрическим воздействием, приводящим упругий чувствительный элемент в исходное положение.