在许多测量仪表和自动装置中,经常需要采用高灵敏度或低刚度的弹性元件。这些弹性元件的变形与作用在它们上面的压力或压力差保持一定的函数关系。这些弹性元件统称为压力弹性敏感元件,其中最常用的是膜片、膜盒、波纹管和弹簧管。
一、膜片与膜盒的结构、类型和应用
膜片如图3.27所示,是由金属或非金属薄膜或薄片制成的弹性元件,一般呈圆形。可利成平片(团s)域波纹视图(b)),膜片在边缘固定,因此在气体或液体的压力差或集中力的作用下,膜片将产生变形,使刚性中心产生位移,然后传递给指针或执行机构,供测量和控利用。
在精度要求较高的压力测量仪表中,如飞机上的高度表和工业用的精密压力检测仪表中,都是采用膜片作为敏感元件。此外,膜片还可用作隔离两种流体、弹性密封、弹性支承等。图3.28所示的差压变送器中,膜片是作弹性密封,兼作弹性铰链支承。膜片材料分为金后和非金届两种,金届材料主要有黄铜、锡青铜、锌白铜、铁青铜和不锈钢等非金届材料主要有橡胶、塑料卡普隆和石英等。波纹膜片大多用金届材料制造。
膜片测量压力的范围很宽,可以从几毫米水柱到几百个大气压,膜片边缘要求固定可靠,以避免固定件与膜片间产生滑动,因为边缘滑动引起的弹性滞后比材料本身的弹性滞后大得多。图3.29为采用切削方法制成的整体平膜片,它可以明显地减少膜片的滞后误差。波纹膜片具有环状波纹,灵敏度较大,改变其波纹形状及尺寸能调节膜片的特性,因此,波纹膜片比平膜片的应用更为广泛。
波纹膜片主要形状见图3.30在相同压力下,正弦波纹膜片产生的位移大,锯齿形波纹的位移最小,但线性最好,在仪器仪表中,这两种膜片应用得最广。波纹膜片常因结构需要而制成带边缘波纹的膜片。边缘波纹是指膜片边缘的波纹与膜片中部的波纹形状和尺寸不同常见的边缘波纹形状有圆柱形(图3.31(a)卯圆环形(图3.31(b))。膜片制成带边缘波纹后其中心位移可增大约3.5倍。并且可用改变边缘波纹的形状及其与中部波纹的相对位置的办法来改变膜片的特性,使其满足使用要求。图3.3l(c)康示边缘波纹对膜片特性所产生的两种不同影响;即边缘波纹的非固定端在压力下产生的径向位移给中部波纹一附加压力,则使膜片的刚度减少,反之,波纹膜片刚度增加。
为了提高膜片的灵敏度据大位移星席把两片膜片的边缘加以焊接,制成膜盒,或将几个膜盒联接起来而成膜盒组。图3—32为膜盒的典型结构形式。图中(n购压力膜盒(内腔与被测压力相通,用以测内外压力差);(b)为真空膜怠内腔真空,测量绝对压力):(c)伪填充式膜盒内腔充满气体,如氮气或饱和蒸汽——乙醚蒸汽等L可用作某些温度表和温度调节器中的灵敏元件。
二、平膜片的计算
平膜片常用于将流体压力转变为膜片的位移或集中力。在使用时又分为小位移和大位移两种情况。
三、波纹膜片的计算
膜片用作仪表的灵敏元件时,一般要求其位移与压力或者与压力有一定函数关系的参数(如高度、速度)成正比。设计时可根据膜片所受的压力、允许的迟滞误差和特性的非线性度选取标准膜片。若标准膜片不符合使用要求,就要根据己知条件进行计算,确定膜片的参数。
1.对压力呈非线性特性的波纹膜片
波纹膜片的特性一般与材料的性质、波纹形状、膜片参数等有关。实验证明纹膜片的特性是非线性的。
2.对压力呈线性特性的波纹膜片
研究结果表明:只要波纹膜片的参数选择适当,就可以得到线性特性
四、膜片的集中力和有效面积
膜片受压后,刚性工作中心将产生位移,并将该位移传递给仪表指针或执行机构供测量和控利用。但在传递位移的同时,需要克服传动阻力,否则仪表和执行机构将无法正常工作,因此为了计算阻力对仪表或执行机构精度的影响,在设计膜片时,还需要计算出膜片的集中力。(本文来源:正航仪器)http://www.zhsysb.net