11. Мембраны и мембранные коробки

В ряде приборов в качестве чувствительного элемента приме­няют мембраны, или диафрагмы,— тонкие круглые пластинки, способные деформироваться под действием давления газа или жидкости, а также под действием сосредоточенной силы.

Мембраны бывают металлические и неметаллические.

Металлические мембраны (рис. 15, а–в) делают из нержавею­щей стали, сталей У10 и У10А, фосфористой и бериллиевой бронз, нейзильбера, элинвара и т. д.

Неметаллические (эластичные) мембраны (рис. 15, г) чаще всего делают из резины, кожи и пластмасс, обычно армированных различными тканями.

Рис. 15. Типы мембран и их функции преобразования (характеристики)

Толщина металлических мембран в пределах 0,06—1,5 мм, а неметаллических 0,1 –5 мм.

Металлические мембраны. В зависимости от характеристики мембраны делят на плоские, хлопающие и гофрированные.

Плоские мембраны (рис. 15, а) наиболее просты в изготовле­нии и имеют характеристику, быстро затухающую в области больших давлений. Это объясняется тем, что при прогибе мем­браны в ее материале возникают как изгибающие, так и растяги­вающие усилия и напряжения. С увеличением давления напряже­ния от растяжения начинают отрицательно влиять на величину прогиба мембраны, поэтому в качестве рабочего участка исполь­зуют только начальную часть характеристики. Этот вид мембран

применяют в приборах, где давление необходимо преобразовать в перемещение или усилие.

Хлопающая мембрана (рис. 15, б) имеет выпуклую сфериче­скую форму. Под действием нагрузки мембрана деформируется по некоторому закону (участок Оа), но при достижении некоторого критического давления р_кр она теряет устойчивость и скачком из­меняет свой прогиб. При дальнейшем увеличении давления про­гиб мембраны изменяется уже по другому закону (участок bс). Хлопающие мембраны применяют в различных сигнальных уст­ройствах и реле для включения и выключения контактов.

Гофрированные мембраны (рис. 15, в) наиболее распростра­нены. Их применяют для получения необходимой характеристики (линейной, затухающей или возрастающей). Увеличение прогиба мембраны и его характер достигается за счет уменьшения растягивающих напряжений при введении гофрировки в виде кон­центрических волн на поверхности мембраны. Эти волны, или гофры, делают различного профиля. Так, на рис. 16, а–г пока­заны наиболее распространенные формы гофра: пильчатый (рис. 16, а), трапециевидный (рис. 16, б), синусоидальный по­стоянной глубины (рис. 16, в) и синусоидальный переменной глу­бины (рис. 16, г).

Рис. 16. Виды основного и краевого гофра

Желательная характеристика мембраны может быть получена путем определенного подбора параметров мембраны: формы гофра, его глубины, числа гофров, материала мембраны, ее толщины и диаметра.

Кроме того, большое влияние на характеристику мембраны и ее прогиб оказывает форма и размеры краевого гофра, отли­чающегося от основного гофра мембраны. На рис. 16, д, е при­ведены два вида краевого гофра: цилиндрический (рис. 16, д) и тороидальный (рис. 16, е).

Расчет металлических мембран. Расчет мембран основан на теории круглых пластинок.

Прогиб центра круглой плоской мембраны при малых пере­мещениях находят из уравнения характеристики мембраны