Мембраны, мембранные коробки и сильфоны являются универсальными первичными преобразователями различных измерительных устройств (например, тензометрических, емкостных, с компенсацией магнитных потоков, а также с дифференциально-трансформаторной связью и других преобразователей).
Эти элементы при их использовании в качестве первичных преобразователей благодаря большой эффективной площади чувствительного элемента обеспечивают относительно большие тяговые усилия и, соответственно, относительно высокие точности измерений в широком диапазоне давлений. Наиболее активное применение мембраны и сильфоны получили для измерения давлений малых величин (до 40 кПа). Использование мембран в приборах для более высоких давлений позволяет обеспечить устойчивость их работы при пульсационном режиме измеряемой среды, воздействии внешних вибраций вплоть до небольших ударных нагрузок. Применяются, как правило, до 2,5 и 4 МПа, хотя имеются конструкции и до 25 и 40 МПа.
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. 2.59). Так, плоские мембраны имеют явно затухающую характеристику, гофрированные из-за волнообразной поверхности при оптимальном выборе размеров и формы гофров – близкую к линейной. Выпуклые (схлопывающиеся) 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 технологии краевой заделки. Особенно это может влиять на вид характеристики мембраны в краевых ее значениях. Устранение такого влияния может достигаться противодействием, возвращающим мембрану в первоначальное состояние.
Метод восстановления начального положения мембраны применяют, когда исключена возможность пробоотбора, ограниченности пространства для перемещения центра этой мембраны, а также при необходимости проведения измерений давления в зонах с высокими температурными параметрами и исключением значительного теплоотвода из рабочей зоны, например при проведении теплотехнических экспериментов.
p p p
Рис. 2.59. Характеристики различных видов мембран:
а – плоская; б – гофрированная; в – выпуклая (схлопывающаяся)
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, возвращающим упругий чувствительный элемент в исходное положение. По величине такого противодействия может определяться величина давления.
Сильфон - (от англ. Sylphon - фирменное название) - тонкостенная трубка из нержавеющей стали, латуни, фосфористой или бериллиевой бронзы с поперечной гофрировкой поверхности. Сильфон работает как пружина на растяжение или сжатие в зависимости от знака разности давлений, действующих на дно сильфона.
Сильфоны, применяемые в качестве ЧЭ, могут обладать высокой чувствительностью, стабильностью и линейностью характеристики в широком диапазоне изменения воздействующего давления, устойчивы при воздействии внешних вибраций и пульсаций измеряемой среды. Однако из-за сложности изготовления сильфоны не получили широкого применения в качестве ЧЭ манометрических приборов.
