弹性元件式一般压力表示值误差分析及调修方法探讨

2024-04-10王鹏

大众标准化 2024年4期

王鹏

（北京市西城区计量检测所，北京 100055）

1 引言

随着技术的不断进步和工业自动化的发展，压力测量在各个领域的应用变得越来越广泛，在实际工程应用中，压力测量设备往往受到多种误差的影响，这些误差可能源于弹性元件本身的特性、机械结构的问题、材料差异、使用环境等多个因素。因此，进行弹性元件式一般压力表示值误差分析及调修方法探讨，对于压力表示值误差的改善具有一定的实际意义。

2 弹性元件式压力表概述

2.1 压力传感器元件

弹性元件式压力表的工作原理基于其内部的压力传感器元件，这些元件在测量和指示压力方面扮演着关键角色。压力传感器元件通常包括一个弹簧管，这个弹簧管具备高弹性和高敏感度的特点，能够对外部施加在它上面的压力作出响应。工作时，被测介质的压力会作用在弹簧管上，导致弹性形变发生。这个弹性形变量与压力成正比，遵循弹性力学的基本公式F=KX，其中F代表力，K代表弹性系数，X代表位移。

一旦被测压力连接到压力表后，弹簧管受到压力和真空的影响，会发生弹性形变，并将移动到带有扇形齿轮传动和指示装置的位置。此时，连杆会带动齿轮轴传动机构，实现传动和放大功能。因为弹簧管压力表上配备有指示板和法定计量单位，所以当被测介质的压力驱动齿轮轴上的指针旋转时，指针在压力表的表盘上指示的数值就表示了压力或真空的值。

2.2 压力表示值的变化规律

弹性元件式压力表的示值在实际使用中受到多种变化规律的影响，这些规律决定了压力表的性能和特点。

首先，连杆和扇形齿轮夹角的变化会显著影响示值。如果夹角角度较小，指针在压力表的前半部分刻度范围内转动速度会较快，而在后半部分刻度时，指针的转动速度会减缓。通过调整夹角的大小，可以改变这种速度变化规律，使示值更符合特定的需求。其次，自由端位置对示值也具有影响。当自由端向右偏移时，前半部分刻度的指针转动速度明显减缓，而后半部分相反，指针转动速度变快。如果自由端向左移动，情况将相反。对于弹性元件式压力表，如果出现示值误差，其中一个可能原因是初始角度太小，限制了自由端位移变化量，需要通过调整自由端来解决。再次，机芯的旋转方向也会对示值产生影响。顺时针旋转机芯时，压力表在前半部分显示的示值转动速度较慢，进入后半部分后转速加快。反之，逆时针旋转机芯时，前半部分的示值转速较快，后半部分则相反。这种旋转方向对示值的影响需要在调整和校准时考虑。最后，连杆移动引起的角度变化也会影响压力表的示值。通常情况下，指针在表盘上的转动偏移角度与连杆移动角度大致相同。如果夹角角度较大，当刻度盘表面的指针发生偏移时，对应夹角也会增加，反之则减小。为确保准确性，指针转动角度和刻度盘表面的刻度线角度应尽量一致，通常最理想的角度是270度。不一致的角度可能导致非线性误差。

3 弹性元件式压力表示值误差的类型及原因分析

3.1 零位超差

零位超差是弹性元件式压力表中一种常见的示值误差类型，它指的是压力表的指针在未受到压力作用时，没有完全指向零刻度位置，而出现了一定程度的偏差。这个偏差可能会导致测量不准确，因为即使没有压力施加在压力表上，它仍然显示出一定的压力值。造成零位超差的原因多种多样，具体分析如下。

首先，弹性元件可能在长时间的使用中失去了一部分弹性，导致其弹性特性发生变化。这种变化会影响压力传感元件的灵敏度和回弹性，进而影响到零位的准确性。同时，如果机芯间隙过大或存在松动，将会导致压力表指针在零位时的不稳定性，因为这些间隙会影响机芯的运动和指针的位置。其次是齿轮脱离啮合现象。在弹性元件式压力表中，齿轮通常用于传递压力信号并驱动指针的运动。如果齿轮在使用中脱离了啮合，那么压力表的指针位置将不再准确，从而引发零位超差。这种问题可能是由于机械部件的磨损、损坏或不正确的装配引起的。最后，中心齿轮在弹性元件式压力表中扮演着重要的角色，它与其他齿轮的位置关系会直接影响到零位的准确性。如果中心齿轮的位置偏离了仪器中心或与其他齿轮的配合不当，将导致零位超差。

3.2 非线性误差

非线性误差是弹性元件式压力表中另一种常见的示值误差类型，它指的是压力表的示值与实际压力之间的关系不是线性的，即压力的增加或减少对示值的影响不是恒定的，而是存在一定的非线性变化。非线性误差的主要原因可以归结为以下几点。

首先，弹性元件材料及工艺差异可能导致非线性误差。不同压力表的弹性元件可能由不同的材料制成，或者制造工艺存在差异。这些差异可能导致在不同压力范围内，弹性元件的弯曲或形变特性不同，从而引发非线性误差。其次，齿轮及扇形齿轮啮合不均匀也是非线性误差的原因之一。如果齿轮与扇形齿轮之间的啮合不均匀，将导致在不同压力下传递给指针的力不一致，从而引发非线性误差。最后，传动比的影响也可能导致非线性误差。传动比是指指针在压力范围内的转动速度与压力的关系。如果传动比不均匀或不恰当，将导致在不同压力下指针的运动速度不同，进而引发非线性误差。

3.3 线性误差

线性误差是弹性元件式压力表中的另一种示值误差类型，它指的是压力表的示值与实际压力之间的关系不符合线性特性，即压力表的响应不是均匀的，在不同的压力范围内，示值误差可能不同。线性误差通常以百分比或绝对压力单位表示。主要引起线性误差的原因包括以下几点。

首先是弹性元件的非均匀性，弹性元件式压力表的弹性元件可能不是完全均匀的，这意味着在不同的位置受到的应力不同，这种非均匀性可能导致在不同的压力范围内出现线性误差。其次是传感器设计问题，压力传感器的设计可能会导致线性误差。例如，如果弹性元件与其他传感器组件的安装或定位不当，就可能影响传感器的线性响应。最后是压力传感器的材料特性，如弹性模量和材料的非线性特性，也可能导致线性误差。这些特性可能在不同压力下表现出不同的响应。

3.4 示值变动量超差

示值变动量超差是弹性元件式压力表中的一种示值误差类型，它指的是在读取压力表的示值时，当施加轻微的外力或震动时，压力表的指针出现不稳定或明显的波动现象，导致示值的变化超出了预期范围。这种变化可能会引起不确定性和不可靠的测量结果，特别是在需要精确测量的应用中。示值变动量超差通常由以下因素引起：

首先，当弹性元件式压力表受到振动或冲击时，指针可能会出现瞬时的位移，导致示值的变动。摩擦位移也可能由于机械部件之间的摩擦而引起，特别是在齿轮和扇形齿轮之间。其次是销轴松铆引起的问题，是指压力表内部销轴部件出现松动或铆接不牢固的情况，可能导致指针的不稳定运动和示值的变动。再次，齿轮和扇形齿轮之间的啮合间隙以及皮带的大小对压力表的性能也有影响。不均匀的齿轮啮合间隙可能导致指针在表盘上的运动不稳定，而皮带过紧或过松可能导致传动机构的不均匀运动。最后是扇形齿轮与中心齿轮的安装问题，扇形齿轮与中心齿轮的安装位置和状态对压力表的性能至关重要。如果它们安装不正确或存在问题，可能导致指针的不准确运动和示值的变动。

4 弹性元件式一般压力表示值误差的调整方法

4.1 零位超差的调整方法

首先，可以对弹簧管本身进行调整。这包括对弹性元件的张力进行微调，以恢复其弹性特性。这通常需要专业的工具和技能来确保调整的准确性。这个过程需要谨慎进行，以避免造成更大的误差。其次是机芯间隙调整，可以检查和调整机芯中的零部件，确保它们之间的间隙处于适当的范围内。这可能需要拆卸和重新组装压力表的机芯，因此需要谨慎操作。再次是齿轮啮合调整，如果齿轮脱离啮合是问题的根本原因，可以对齿轮和相关部件进行检查和调整。确保齿轮正确啮合并传递信号。这可能需要更换损坏的齿轮或部件。最后是中心齿轮位置调整，中心齿轮的位置对零位的准确性至关重要。可以检查中心齿轮的位置，确保它与其他齿轮的配合正确。如果需要，可以进行调整以保持正确的位置。

4.2 非线性误差的调整方法

首先，可以通过选用更合适的弹性元件材料和改进的制造工艺来减小非线性误差的发生。不同材料的弹性特性会导致不同的非线性误差，因此选择合适的材料对于降低误差至关重要。同时，制造工艺的精度和质量控制也必须得到改进，以确保压力表的各个部件的制造精度达到要求。其次，非线性误差的调整也可以通过改进齿轮和扇形齿轮的制造质量来实现。这些齿轮的均匀啮合非常重要，不均匀的啮合会导致非线性误差的增加。再次，调整传动比也是减小非线性误差的有效方法。通过重新设计或调整传动比，可以使压力表在不同压力下的指示更加均匀，减小非线性误差。这需要精确计算和调整，因此需要谨慎处理。最后，定期的维护和校准也是调整非线性误差的重要手段。这包括清洁、润滑和检查齿轮、扇形齿轮和弹性元件的状态。通过维护和校准，可以确保压力表的性能在高精度范围内，减小非线性误差的影响。

4.3 线性误差的调整方法

首先，可以通过调整弹性元件式压力表的机芯来实现线性误差的调整。机芯是压力表的核心部件，它包括齿轮、扇形齿轮、连杆等元件。通过微调这些元件的位置和相对关系，可以改变传动比，从而调整线性误差。这需要仔细的技术和精确的操作，通常由专业技术人员来完成。其次，使用标准压力源进行校准是另一种调整线性误差的方法。将弹性元件式压力表连接到已知精度的标准压力源上，并比较压力表的示值与标准值之间的差异。根据差异的大小和方向，可以调整压力表的传动比，以减小线性误差。这种方法需要标准压力源和专业的校准设备。

4.4 示值变动量超差的调整方法

首先，仔细检查压力表的内部机械部件是确保其准确性和可靠性的关键步骤。这些机械部件，如齿轮、扇形齿轮、销轴和弹簧，直接影响着压力表的性能。在进行检查时，需要注意任何松动、损坏或磨损的迹象。松动的部件可能会导致机械结构不稳定，从而引发误差。如果发现任何问题，务必及时采取措施修复或更换受影响的部件，以确保机械部件能够正常运行。其次，齿轮和扇形齿轮的啮合间隙均匀性对于压力表的准确度至关重要。不均匀的间隙可能导致示值变动，使测量结果不可信。为了解决这个问题，需要小心地进行调整。检查齿轮和扇形齿轮之间的间隙，确保它们在整个齿轮的表面上均匀分布。如果存在不均匀的情况，可以使用专业工具进行微小的调整，以确保它们正确地啮合在一起，消除了不均匀间隙可能引发的误差。再次，校准弹簧是维护弹性元件式压力表精确度的重要步骤。弹簧的弹性和稳定性对于确保准确的压力测量至关重要。通常，校准弹簧需要使用专业的校准设备和知识，因此最好将此任务委托给经验丰富的维修人员。校准过程涉及将压力应用到压力表上，然后比较其读数与标准值之间的差异。根据差异的大小，可以通过微调弹簧的张力来校准压力表，以确保其准确性。这一过程需要高度的精确性和专业知识，以确保弹簧的性能得到最佳的调整和校准。最后，为了保持弹性元件式压力表的准确性，需要注意防止外部因素对其示值的影响。外部因素，如振动、温度变化或电磁干扰，都可能导致压力表的读数不稳定或不准确。为了减轻这些影响，可以采取隔离措施来维持稳定的工作环境。例如，将压力表安装在稳定的支架上以减少振动的传递，控制工作环境的温度以防止温度变化对压力表的影响，以及避免将电磁干扰源放置在附近。通过这些预防措施，可以确保压力表在各种工作条件下都能提供准确的压力测量结果，满足各种应用的需求。