РЕГУЛИРОВАНИЕ НАТЯЖЕНИЯ МЕМБРАНЫ В МАНОМЕТРИЧЕСКИХ ПРИБОРАХ

АННОТАЦИЯ

Широкое использование в разных отраслях манометрических приборов, в которых чувствительным элементом является мембрана, сохраняет актуальной задачу повышения характеристик мембраны и их контролируемого изменения путем натяжения мембраны. Для решения этой задачи предлагаются конструкции, позволяющие осуществлять контролируемое натяжение мембраны без разборки мембранного узла прибора и получать как возрастающую, так и убывающую упругую характеристику мембраны. Внедрение таких конструкций в производство позволит упростить эксплуатацию приборов с мембранным узлом, снизить затраты на их настройку и обслуживание.

Ключевые слова: упругая характеристика мембраны, мембранный узел, точность измерений, пределы измерений манометрических приборов, конструкции мембранных узлов.

Манометрические приборы, в которых чувствительным элементом является мембрана, используются в нефтяной и газовой промышленности, машиностроении, строительстве и других отраслях. Такие приборы позволяют с высокой точностью производить измерение избыточного и вакуумметрического давления, скорости изменения давлений, температуры и массового расхода жидких и газовых сред [2, 3]. Первичным сигналом в таких приборах, который определяет все основные характеристики прибора – точность показаний во всем интервале меняющегося давления, пределы измерений и надежность, является деформация мембраны. Деформация мембраны пропорциональна разности, действующих на нее давлений и, в зависимости от конструкции прибора, передается через кинематический механизм на механическое отсчетное устройство или при помощи емкостных, индуктивных датчиков или пьезоэлементов преобразуется во вторичный электрический сигнал, который затем усиливается и передается на электронное отсчетное устройство [1, 4]. Так как деформация мембраны является первичным сигналом актуальной остается задача улучшения всех характеристик мембраны, а также регулирования этих характеристик при эксплуатации прибора.

Деформация мембраны существенно зависит от типа мембраны (плоская или гофрированная), ее материала и основных размеров – толщины и диаметра, а также формы и размеров профиля (для гофрированных мембран). При этом деформация полностью определяет упругие характеристики мембраны – чувствительность по давлению, жесткость к действию внешних сил, устойчивость и прочность. Большое влияние на характеристики прибора оказывает упругая характеристика мембраны – зависимость чувствительности (жесткости) от давления. Изменяя геометрию мембраны можно получить упругую характеристику различного вида – линейную, убывающую и возрастающую [1, 3]. Применение мембран с нелинейной упругой характеристикой (возрастающей или затухающей) является часто самым простым и необходимым способом измерения величин нелинейно связанных с давлением.

Известно [1], что как плоские, так и гофрированные мембраны (особенно гофрированные) очень чувствительны к предварительному натяжению мембраны при ее установке в прибор. При этом если сжать мембрану в начальной плоскости (в плоскости, равноотстоящей от вершин и впадин гофров мембраны), то ее жесткость уменьшается, увеличивается чувствительность, вследствие чего упругая характеристика мембраны может стать возрастающей (если в исходном состоянии она была линейной или затухающей) или нелинейность возрастающей характеристики будет увеличена. Напротив, при увеличении натяжения мембраны, ее жесткость увеличивается, а упругая характеристика меняется с возрастающей на близкую к линейной или становится затухающей. Таким образом, изменяя величину натяжения мембраны можно в широких пределах изменять упругую характеристику мембраны и тем самым регулировать метрологические свойства прибора в целом. Кроме того, при работе мембраны наблюдаются явления ползучести, релаксации напряжений, упругого последействия в результате чего характеристики мембраны изменяются [1, 2, 3] и регулировка натяжения мембраны позволяет восстановить начальные параметры мембраны.

Известны конструкции мембранных узлов, которые позволяют регулировать упругую характеристику мембраны.

Так, известен мембранный чувствительный элемент [5], содержащий рабочую гофрированную мембрану, профильный упор-лекало, снабженный регулировочным устройством, которое выполнено в виде резьбового кольца, жестко скрепленного с бортом упора-лекала и навинчивающегося на основание рабочей мембраны. Однако такая конструкция не позволяет регулировать упругую характеристику мембраны с заданной точностью, а также не позволяет увеличить нелинейность возрастающей упругой характеристики мембраны. Кроме того, конструкция мембранного чувствительного элемента [5] не позволяет получить возрастающую характеристику, при имеющейся у мембраны в исходном состоянии линейной или затухающей характеристике.

Известен датчик давления [7], содержащий корпус, выполненный в виде днища и разъемной крышки, индуктивный преобразователь, плоскую мембрану, прижатую съемным фланцем, который выполнен разъемным.  В такой конструкции, мембрана зажата между треугольными выступами и впадинами на прижимном и регулировочном фланцах, а ее натяжение осуществляется ее деформированием при перемещении регулировочного фланца относительно прижимного. Вследствие этого, интервал, в котором можно изменять натяжение мембраны невелик, так как в противном случае треугольные выступы (впадины), выполненные на прижимном и регулировочном фланцах, вызовут значительную деформацию мембраны в месте контакта, что приведет к разрыву мембраны. Также недостатками конструкции являются неравномерность натяжения мембраны и невозможность получения возрастающей характеристики.

Известен и ряд других конструкций [6, 8], позволяющих в той или иной степени производить регулировку натяжения мембраны. Общими недостатками таких конструкций также является невозможность получения возрастающей характеристики и невозможность изменения упругой характеристики мембраны с заданной точностью. Кроме того, для получения требуемой характеристики мембраны необходима разборка, дополнительное трудоемкое тестирование и настройка мембранного узла.

На наш взгляд, точное регулирование натяжения мембраны и получение как возрастающей, так и убывающей характеристики мембраны без разборки прибора и в широких пределах может достигнуто при использовании следующих конструкций мембранного узла.

В первой предлагаемой конструкции (показана на рис. 1) мембранный узел состоит из корпуса - 1, упругой плоской или гофрированной мембраны - 5, неподвижно закрепленной внутри корпуса и регулировочного устройства. Регулировочное устройство включает натяжной гофр мембраны - 7, упругое распорное кольцо - 8, сухарь конической формы - 9, микрометрический винт - 10 и отсчетное устройство - 11. Натяжной гофр мембраны является ее краевым гофром (гофром наиболее удаленным от центра мембраны) и имеет буртик, который служит для закрепления мембраны внутри корпуса. Форма натяжного гофра обеспечивает плотный контакт поверхности распорного кольца, наиболее удаленной от его центральной оси с поверхностью натяжного гофра. Распорное кольцо выполнено разрезным и имеет конический паз - 14, в который входит сухарь конической формы, с которым взаимодействует микрометрический винт - 10.

Рисунок 1. Конструкция мембранного узла с одним коническим сухарем

(1 - корпус, 2 – крышка, 3 – днище, 4 – болты, 5 – мембрана, 6 – буртик, 7 – натяжной гофр, 8 – разрезное кольцо, 9 – конический сухарь, 10 – микрометрический винт, 11 – отсчетное устройство, 13 – ось разрезного кольца, 14 – конический паз,15 – ось конического паза, 16 – круговая шкала, 17 – риска, А и В – рабочие полости)

Поворотный фланец микрометрического винта находится снаружи корпуса мембранного узла датчика давления, также снаружи корпуса располагается и отсчетное устройство, позволяющее контролировать угол поворота микрометрического винта. Также возможен вариант конструкции (см. рис. 2), в которой распорное кольцо выполнено разрезным в нескольких местах и имеет конические пазы, куда входят сухари конической формы, с которыми взаимодействует микрометрический винт.

В предлагаемой конструкции при вращении микрометрического винта он упирается в сухарь конической формы и вызывает его поступательное движение. При этом сухарь конической формы входит в конический паз распорного кольца и вызывает его расклинивание.

Рисунок 2. Мембранный узел с несколькими коническими сухарями

(1 - корпус, 2 – крышка, 3 – днище, 4 – болты, 5 – мембрана, 6 – буртик, 7 – натяжной гофр, 8 – разрезное кольцо, 9 – конический сухарь, 10 – микрометрический винт, 11 – отсчетное устройство, 14 – конический паз,15 – ось конического паза, 16 – круговая шкала, 17 – риска, А и В – рабочие полости)

Рисунок 3. Сечение по разрезному кольцу

(8 – разрезное кольцо, 9 – сухари, 13 – продольная ось кольца)

В результате увеличивается диаметр распорного кольца, а контактирующий с наружной поверхностью распорного кольца натяжной гофр мембраны сжимается, вызывая ее натяжение и увеличение жесткости. Таким образом, увеличение жесткости мембраны прямо зависит от угла поворота микрометрического винта, который можно контролировать по отсчетному устройству.

Величина натяжения мембраны ограничена конусностью сухаря и паза, и высотой распорного кольца. Для увеличения натяжения мембраны распорное кольцо может быть выполнено разрезным в нескольких местах, и соответственно иметь несколько конических пазов, в которые входят сухари конической формы. В этом случае вращение микрометрического винта приводит к поступательному движению одновременно всех сухарей конической формы в пазах распорного кольца, за счет чего диаметр, а следовательно и натяжение мембраны увеличиваются пропорционально числу сухарей конической формы.

Рисунок 4. Мембранный узел с нажимной плитой

(1 – корпус, 2 – нижняя часть, 3 – верхняя часть корпуса, 4 – болты, 5 – гофрированная мембрана, 6 – буртик, 7 – сжимной гофр мембраны, 8 – нажимная плита, 9 – микрометрический винт,10 – отсчетное устройство, А и Б – рабочие полости)

Во второй предлагаемой нами конструкции (показана на рис. 4) мембранный узел состоит из корпуса - 1, упругой гофрированной мембраны - 5, неподвижно закрепленной внутри корпуса, и регулировочного устройства. Регулировочное устройство состоит из сжимного гофра мембраны - 7, нажимной плиты - 8, микрометрического винта - 9 и отсчетного устройства - 10, снабженного храповым механизмом (на рисунке не показан). Сжимной гофр мембраны является гофром, наиболее удаленным от ее центра, имеет буртик, который служит для закрепления мембраны в корпусе, краевые участки сжимного гофра опираются на корпус. В плотный контакт с вершиной сжимного гофра входит нажимная плита, расположенная соосно с мембраной, с нажимной плитой взаимодействует микрометрический винт. Поворотный фланец микрометрического винта находится снаружи корпуса мембранного узла датчика давления, также снаружи корпуса расположено отсчетное устройство, позволяющее контролировать угол поворота микрометрического винта и снабженное храповым механизмом, который дает возможность фиксировать угол поворота микрометрического винта.

Вращение микрометрического винта приводит к поступательному перемещению нажимной плиты, которая входит в плотный контакт с вершиной сжимного гофра. Вследствие перемещения нажимной плиты сжимной гофр мембраны упруго деформируется, его высота уменьшается, точки опирания сжимного гофра на корпус мембранного узла на краевом участке гофра, ближайшем к центральной части мембраны перемещаются по радиусу к центру мембраны. В результате в мембране появляются сжимающие усилия – происходит сжатие мембраны в начальной плоскости, что и приводит к уменьшению ее жесткости.

Таким образом, уменьшение жесткости мембраны прямо зависит от угла поворота микрометрического винта, который можно контролировать по отсчетному устройству, расположенному снаружи на корпусе мембранного узла. Повороту микрометрического винта противодействуют силы упругого деформирования сжимного гофра и мембраны в целом, поэтому угол поворота микрометрического винта фиксируется при помощи храпового механизма, который входит в состав отсчётного устройства.

В описанных конструкциях регулирование упругой характеристики мембраны может осуществляться контролируемо без разборки узла и в очень широких пределах, что позволяет достаточно просто корректировать характеристики приборов во время их эксплуатации и снизить затраты на их обслуживание.

Список литературы:

1. Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. – 2 изд., перераб. и доп. – М: Машиностроение, 1981. – 392 с.
2. Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. – М.: Машгиз, 1962. – 456 с.
3. Пономарев С.Д., Андреева Л.Е. Расчет упругих элементов машин и приборов. – М.: Машиностроение, 1980. – 326 с.
4. Справочник технолога-приборостроителя: В 2-х т. – 2-е изд., перераб. и доп. Т.2 / Под ред. Е.А. Скороходова. – М.: Машиностроение, 1980. – 463 с.
5. А.С. 287368 SU, МПК 1 G 01 L 7/08, опубл. 19.11.1970, бюллетень №35.
6. А.С. 537272 SU, МПК 2 G 01 L 7/08, опубл. 30.11.1976, бюллетень №44.
7. А.С. 994939 SU, МПК 3 G 01 L 7/08, опубл. 07.02.1983, бюллетень №5.
8. А.С. 1045021 SU, МПК 3 G 01 L 7/08, опубл. 30.09.1983, бюллетень №36.