Мембраны и мембранные коробки

       Мембраны и мембранные коробки получили широкое применение в приборостроении, главным образом, как упругие чувствительные элементы.

       Мембрана представляет собой гибкую круглую пластинку, закрепленную по наружному контуру, способную получать значительные упругие прогибы под действием давления.

       На практике находят применение плоские, сферические (хлопающие) и гофрированные мембраны (фиг. а, б, в). В отличие от плоских гофрированные мембраны имеют на своей поверхности концентрические волнообразные гофры. В центре мембраны припаивают жесткий центр, служащий для присоединения мембраны к соответствующим деталям механизма.

       Характеристикой мембраны называется зависимость между прогибом центра мембраны и действующим на мембрану давлением.

       П л о с к и е м е м б р а н ы (фиг. а), в зависимости от материала, из которого они изготовлены, делят на металлические и неметаллические. Неметаллические мембраны изготовляют из резины, кожи, прорезиненного шелка. Плоские мембраны применяют в датчиках, где требуется преобразовать давление в механическое усилие или в перемещение. Иногда для этих целей используют неметаллические мембраны, которые по сравнению с металлическими, обладают большей величиной прогиба и менее чувствительны к возможным перекосам, при закреплении мембраны. Однако, неметаллические мембраны обладая весьма малой жесткостью, очень часто работают совместно с измерительной винтовой пружиной, выполняя преобразование давления в усилие, воспринимаемое пружиной. Плоские мембраны имеют затухающую характеристику, поэтому в качестве рабочего участка обычно используют небольшую часть возможного хода. Применение плоских металлических мембран ограничивается малой величиной допускаемых перемещений и возможностью хлопков при небольшом короблении мембраны.

       Х л о п а ю щ и е м е м б р а н ы (фиг. б) представляют собой сферический купол, изготовленный из тонкого упругого материала. При нагружении такой мембраны с выпуклой стороны ее серединная поверхность сжимается, и при некоторой критической нагрузке мембрана способна скачком изменить свой прогиб, т.е. она «выщелкивает», резко меняя прогиб при неизменной величине действующей нагрузки. Применение этих мембран удобно в устройствах, требующих мгновенного срабатывания при заданных перепадах давлений (пневмореле и т.п.).

       Г о ф р и р о в а н н ы е м е м б р а н ы (фиг. в) имеют следующие преимущества по сравнению с плоскими:

       - прогиб гофрированной мембраны при одинаковых давлениях в рабочем диапазоне значительно больше прогиба плоской мембраны.

       - меньшая нелинейность характеристики.

       - изменением формы гофрировки можно получить прогибы мембраны, пропорциональные давлению или измеряемому параметру (высоте, скорости и т.п.).

       - представляется возможным с помощью гофрированных мембран измерять давление в широком диапазоне (от нескольких миллиметров водяного столба до сотен кГ/ см².

       В зависимости от назначения, толщины мембраны лежат в пределах 0,05 ÷0,5 мм, а диаметры 15 ÷150 мм. В отдельных случаях указанные пределы могут быть расширены как по толщине 0,008 ÷1,5 мм, так и по диаметру 5 ÷ 500 мм.

       На плакате показаны основные формы гофра мембран – пильчатый, трапецевидный, синусоидные постоянной и переменной амплитуды (фиг. г, д, е, ж). Форму и число гофр обычно выбирают из конструктивных и технологических соображений. Мембраны мелкого пильчатого профиля просты в изготовлении, устойчивы к небольшим перегрузкам и широко применяются в приборах, где требуется затухающая по давлению характеристика чувствительного элемента (расходомеры, высотомеры, указатели скорости). Мембраны трапецевидной и синусоидной формы гофра изготовляются обычно из толстого материала и в тех случаях, когда стремятся уменьшить концентрации напряжений по вершинам и впадинам профиля мембраны.

       Существенное влияние на повышение чувствительности и изменение кривизны харак - теристики мембраны оказывает также форма «краевого гофра». Краевым гофром называется

70

крайний гофр, отличающийся по своим размерам и форме от гофров, нанесенных на остальной поверхности мембраны (см. тороидный тип краевого гофра на плакате, фиг. д). Введение краевого гофра сильно увеличивает общий прогиб мембраны и резко изменяет ее характеристику. В такой мембране прогиб ее центра в основном определяется работой краевого гофра.

       Гофрированные мембраны в основном бывают металлическими. Их изготовляют из тех же материалов, что и плоские и хлопающие мембраны: из беррилевой бронзы марок БрБ-25 и Бр. БНТ-1,9, из оловянно-фосфористой бронзы марок Бр. ОФ6,5-0,4, из нейзильбера НМЦ 65-20, из нержавеющей стали, из элинвара и других материалов.

       Очень часто, для увеличения чувствительности мембраны соединяют последовательно в блоки.

       М е м б р а н н а я к о р о б к а представляет собой две спаянные или сваренные по бортику мембраны. Мембраны соединяются пайкой (мягкими припоями) или сваркой (шовно-электроконтактной – при толщине листа до 0,3 мм и аргоно-дуговой при толщине свыше   0,3 мм). Качество сваренных коробок выше паянных: меньше величина упругого гистерезиса и последействия, выше прочность и стабильнее характеристика.

       На плакате (фиг. з, и, к) приведены три основных типа мембранных коробок.

       М а н о м е т р и ч е с к а я к о р о б к а (фиг. з) представляет собой герметичную коробку, внутренняя полость которой сообщается с той средой, давление которой требуется измерить. Она служит для измерения разности внутреннего и наружного давлений (избыточного давления). Такие коробки применяют в манометрах, вариометрах, указателях скорости и других приборах.

       А н е р о и д н а я к о р о б к а (фиг. и) представляет собой герметичную коробку, из внутренней полости которой выкачан воздух (давление остающегося в коробке воздуха обычно превышает 0,2 – 0,5 мм рт.ст.). Она служит для измерения абсолютного давления и применяется в высотомерах и мановакууметрах.

       Н а п о л н е н н а я к о р о б к а (фиг. к) представляет собой герметическую коробку, внутренняя полость которой заполнена газом, насыщенными парами или жидкостью. Такие коробки, наполненные газом (например, азотом) или насыщенными парами (например, парами эфира), применяют в качестве чувствительных элементов в некоторых термометрах и терморегуляторах.

       Все указанные коробки снабжены нижним жестким центром 1, который неподвижно закрепляют на основании механизма или на других деталях прибора. В этом случае, например, перемещение верхнего жесткого центра 2 под действие избыточного давления (фиг. з) будет в два раза больше, чем перемещение центра одной мембраны.

       Для получения большего прогиба центра мембранные коробки собирают в блоки, состоящие из двух, трех и более коробок. В этом случае прогиб центра блока коробок, примерно, будет равен сумме прогибов всех коробок.

       На плакате (фиг. л, м,н) показаны способы соединения мембранных коробок в блоки. Как видно из плаката в блоки коробки соединяют промежуточными шайбами (фиг. л), припаеваемыми к мембранам, резьбовыми соединениями жестких центров (свинчивающимися центрами) (фиг. м) или непосредственным наложением коробок друг на друга, под некоторым усилием, создаваемым пружиной 1 (фиг. н).

       Мембранные коробки и блоки применяют для измерения сравнительно небольших давлений – от нескольких мм вод.ст. до 3 – 5 к Г/ см². Для измерения больших давлений – от     5 к Г/ см²   и выше (до сотен к Г /см²) применяют отдельные мембраны, так как требуемую прочность соединительного шва мембранных коробок при таких давлениях обеспечить трудно.