彈性元件式一般壓力表示值誤差分析及調(diào)修方法探討

王 鵬

（北京市西城區(qū)計(jì)量檢測(cè)所，北京 100055）

1 引言

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，壓力測(cè)量在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用變得越來越廣泛，在實(shí)際工程應(yīng)用中，壓力測(cè)量設(shè)備往往受到多種誤差的影響，這些誤差可能源于彈性元件本身的特性、機(jī)械結(jié)構(gòu)的問題、材料差異、使用環(huán)境等多個(gè)因素。因此，進(jìn)行彈性元件式一般壓力表示值誤差分析及調(diào)修方法探討，對(duì)于壓力表示值誤差的改善具有一定的實(shí)際意義。

2 彈性元件式壓力表概述

2.1 壓力傳感器元件

彈性元件式壓力表的工作原理基于其內(nèi)部的壓力傳感器元件，這些元件在測(cè)量和指示壓力方面扮演著關(guān)鍵角色。壓力傳感器元件通常包括一個(gè)彈簧管，這個(gè)彈簧管具備高彈性和高敏感度的特點(diǎn)，能夠?qū)ν獠渴┘釉谒厦娴膲毫ψ鞒鲰憫?yīng)。工作時(shí)，被測(cè)介質(zhì)的壓力會(huì)作用在彈簧管上，導(dǎo)致彈性形變發(fā)生。這個(gè)彈性形變量與壓力成正比，遵循彈性力學(xué)的基本公式F=KX，其中F代表力，K代表彈性系數(shù)，X代表位移。

一旦被測(cè)壓力連接到壓力表后，彈簧管受到壓力和真空的影響，會(huì)發(fā)生彈性形變，并將移動(dòng)到帶有扇形齒輪傳動(dòng)和指示裝置的位置。此時(shí)，連桿會(huì)帶動(dòng)齒輪軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)和放大功能。因?yàn)閺椈晒軌毫Ρ砩吓鋫溆兄甘景搴头ǘㄓ?jì)量單位，所以當(dāng)被測(cè)介質(zhì)的壓力驅(qū)動(dòng)齒輪軸上的指針旋轉(zhuǎn)時(shí)，指針在壓力表的表盤上指示的數(shù)值就表示了壓力或真空的值。

2.2 壓力表示值的變化規(guī)律

彈性元件式壓力表的示值在實(shí)際使用中受到多種變化規(guī)律的影響，這些規(guī)律決定了壓力表的性能和特點(diǎn)。

首先，連桿和扇形齒輪夾角的變化會(huì)顯著影響示值。如果夾角角度較小，指針在壓力表的前半部分刻度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)速度會(huì)較快，而在后半部分刻度時(shí)，指針的轉(zhuǎn)動(dòng)速度會(huì)減緩。通過調(diào)整夾角的大小，可以改變這種速度變化規(guī)律，使示值更符合特定的需求。其次，自由端位置對(duì)示值也具有影響。當(dāng)自由端向右偏移時(shí)，前半部分刻度的指針轉(zhuǎn)動(dòng)速度明顯減緩，而后半部分相反，指針轉(zhuǎn)動(dòng)速度變快。如果自由端向左移動(dòng)，情況將相反。對(duì)于彈性元件式壓力表，如果出現(xiàn)示值誤差，其中一個(gè)可能原因是初始角度太小，限制了自由端位移變化量，需要通過調(diào)整自由端來解決。再次，機(jī)芯的旋轉(zhuǎn)方向也會(huì)對(duì)示值產(chǎn)生影響。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)機(jī)芯時(shí)，壓力表在前半部分顯示的示值轉(zhuǎn)動(dòng)速度較慢，進(jìn)入后半部分后轉(zhuǎn)速加快。反之，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)機(jī)芯時(shí)，前半部分的示值轉(zhuǎn)速較快，后半部分則相反。這種旋轉(zhuǎn)方向?qū)κ局档挠绊懶枰谡{(diào)整和校準(zhǔn)時(shí)考慮。最后，連桿移動(dòng)引起的角度變化也會(huì)影響壓力表的示值。通常情況下，指針在表盤上的轉(zhuǎn)動(dòng)偏移角度與連桿移動(dòng)角度大致相同。如果夾角角度較大，當(dāng)刻度盤表面的指針發(fā)生偏移時(shí)，對(duì)應(yīng)夾角也會(huì)增加，反之則減小。為確保準(zhǔn)確性，指針轉(zhuǎn)動(dòng)角度和刻度盤表面的刻度線角度應(yīng)盡量一致，通常最理想的角度是270度。不一致的角度可能導(dǎo)致非線性誤差。

3 彈性元件式壓力表示值誤差的類型及原因分析

3.1 零位超差

零位超差是彈性元件式壓力表中一種常見的示值誤差類型，它指的是壓力表的指針在未受到壓力作用時(shí)，沒有完全指向零刻度位置，而出現(xiàn)了一定程度的偏差。這個(gè)偏差可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確，因?yàn)榧词箾]有壓力施加在壓力表上，它仍然顯示出一定的壓力值。造成零位超差的原因多種多樣，具體分析如下。

首先，彈性元件可能在長(zhǎng)時(shí)間的使用中失去了一部分彈性，導(dǎo)致其彈性特性發(fā)生變化。這種變化會(huì)影響壓力傳感元件的靈敏度和回彈性，進(jìn)而影響到零位的準(zhǔn)確性。同時(shí)，如果機(jī)芯間隙過大或存在松動(dòng)，將會(huì)導(dǎo)致壓力表指針在零位時(shí)的不穩(wěn)定性，因?yàn)檫@些間隙會(huì)影響機(jī)芯的運(yùn)動(dòng)和指針的位置。其次是齒輪脫離嚙合現(xiàn)象。在彈性元件式壓力表中，齒輪通常用于傳遞壓力信號(hào)并驅(qū)動(dòng)指針的運(yùn)動(dòng)。如果齒輪在使用中脫離了嚙合，那么壓力表的指針位置將不再準(zhǔn)確，從而引發(fā)零位超差。這種問題可能是由于機(jī)械部件的磨損、損壞或不正確的裝配引起的。最后，中心齒輪在彈性元件式壓力表中扮演著重要的角色，它與其他齒輪的位置關(guān)系會(huì)直接影響到零位的準(zhǔn)確性。如果中心齒輪的位置偏離了儀器中心或與其他齒輪的配合不當(dāng)，將導(dǎo)致零位超差。

3.2 非線性誤差

非線性誤差是彈性元件式壓力表中另一種常見的示值誤差類型，它指的是壓力表的示值與實(shí)際壓力之間的關(guān)系不是線性的，即壓力的增加或減少對(duì)示值的影響不是恒定的，而是存在一定的非線性變化。非線性誤差的主要原因可以歸結(jié)為以下幾點(diǎn)。

首先，彈性元件材料及工藝差異可能導(dǎo)致非線性誤差。不同壓力表的彈性元件可能由不同的材料制成，或者制造工藝存在差異。這些差異可能導(dǎo)致在不同壓力范圍內(nèi)，彈性元件的彎曲或形變特性不同，從而引發(fā)非線性誤差。其次，齒輪及扇形齒輪嚙合不均勻也是非線性誤差的原因之一。如果齒輪與扇形齒輪之間的嚙合不均勻，將導(dǎo)致在不同壓力下傳遞給指針的力不一致，從而引發(fā)非線性誤差。最后，傳動(dòng)比的影響也可能導(dǎo)致非線性誤差。傳動(dòng)比是指指針在壓力范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與壓力的關(guān)系。如果傳動(dòng)比不均勻或不恰當(dāng)，將導(dǎo)致在不同壓力下指針的運(yùn)動(dòng)速度不同，進(jìn)而引發(fā)非線性誤差。

3.3 線性誤差

線性誤差是彈性元件式壓力表中的另一種示值誤差類型，它指的是壓力表的示值與實(shí)際壓力之間的關(guān)系不符合線性特性，即壓力表的響應(yīng)不是均勻的，在不同的壓力范圍內(nèi)，示值誤差可能不同。線性誤差通常以百分比或絕對(duì)壓力單位表示。主要引起線性誤差的原因包括以下幾點(diǎn)。

首先是彈性元件的非均勻性，彈性元件式壓力表的彈性元件可能不是完全均勻的，這意味著在不同的位置受到的應(yīng)力不同，這種非均勻性可能導(dǎo)致在不同的壓力范圍內(nèi)出現(xiàn)線性誤差。其次是傳感器設(shè)計(jì)問題，壓力傳感器的設(shè)計(jì)可能會(huì)導(dǎo)致線性誤差。例如，如果彈性元件與其他傳感器組件的安裝或定位不當(dāng)，就可能影響傳感器的線性響應(yīng)。最后是壓力傳感器的材料特性，如彈性模量和材料的非線性特性，也可能導(dǎo)致線性誤差。這些特性可能在不同壓力下表現(xiàn)出不同的響應(yīng)。

3.4 示值變動(dòng)量超差

示值變動(dòng)量超差是彈性元件式壓力表中的一種示值誤差類型，它指的是在讀取壓力表的示值時(shí)，當(dāng)施加輕微的外力或震動(dòng)時(shí)，壓力表的指針出現(xiàn)不穩(wěn)定或明顯的波動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致示值的變化超出了預(yù)期范圍。這種變化可能會(huì)引起不確定性和不可靠的測(cè)量結(jié)果，特別是在需要精確測(cè)量的應(yīng)用中。示值變動(dòng)量超差通常由以下因素引起：

首先，當(dāng)彈性元件式壓力表受到振動(dòng)或沖擊時(shí)，指針可能會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)的位移，導(dǎo)致示值的變動(dòng)。摩擦位移也可能由于機(jī)械部件之間的摩擦而引起，特別是在齒輪和扇形齒輪之間。其次是銷軸松鉚引起的問題，是指壓力表內(nèi)部銷軸部件出現(xiàn)松動(dòng)或鉚接不牢固的情況，可能導(dǎo)致指針的不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)和示值的變動(dòng)。再次，齒輪和扇形齒輪之間的嚙合間隙以及皮帶的大小對(duì)壓力表的性能也有影響。不均勻的齒輪嚙合間隙可能導(dǎo)致指針在表盤上的運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，而皮帶過緊或過松可能導(dǎo)致傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的不均勻運(yùn)動(dòng)。最后是扇形齒輪與中心齒輪的安裝問題，扇形齒輪與中心齒輪的安裝位置和狀態(tài)對(duì)壓力表的性能至關(guān)重要。如果它們安裝不正確或存在問題，可能導(dǎo)致指針的不準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)和示值的變動(dòng)。

4 彈性元件式一般壓力表示值誤差的調(diào)整方法

4.1 零位超差的調(diào)整方法

首先，可以對(duì)彈簧管本身進(jìn)行調(diào)整。這包括對(duì)彈性元件的張力進(jìn)行微調(diào)，以恢復(fù)其彈性特性。這通常需要專業(yè)的工具和技能來確保調(diào)整的準(zhǔn)確性。這個(gè)過程需要謹(jǐn)慎進(jìn)行，以避免造成更大的誤差。其次是機(jī)芯間隙調(diào)整，可以檢查和調(diào)整機(jī)芯中的零部件，確保它們之間的間隙處于適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。這可能需要拆卸和重新組裝壓力表的機(jī)芯，因此需要謹(jǐn)慎操作。再次是齒輪嚙合調(diào)整，如果齒輪脫離嚙合是問題的根本原因，可以對(duì)齒輪和相關(guān)部件進(jìn)行檢查和調(diào)整。確保齒輪正確嚙合并傳遞信號(hào)。這可能需要更換損壞的齒輪或部件。最后是中心齒輪位置調(diào)整，中心齒輪的位置對(duì)零位的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。可以檢查中心齒輪的位置，確保它與其他齒輪的配合正確。如果需要，可以進(jìn)行調(diào)整以保持正確的位置。

4.2 非線性誤差的調(diào)整方法

首先，可以通過選用更合適的彈性元件材料和改進(jìn)的制造工藝來減小非線性誤差的發(fā)生。不同材料的彈性特性會(huì)導(dǎo)致不同的非線性誤差，因此選擇合適的材料對(duì)于降低誤差至關(guān)重要。同時(shí)，制造工藝的精度和質(zhì)量控制也必須得到改進(jìn)，以確保壓力表的各個(gè)部件的制造精度達(dá)到要求。其次，非線性誤差的調(diào)整也可以通過改進(jìn)齒輪和扇形齒輪的制造質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)。這些齒輪的均勻嚙合非常重要，不均勻的嚙合會(huì)導(dǎo)致非線性誤差的增加。再次，調(diào)整傳動(dòng)比也是減小非線性誤差的有效方法。通過重新設(shè)計(jì)或調(diào)整傳動(dòng)比，可以使壓力表在不同壓力下的指示更加均勻，減小非線性誤差。這需要精確計(jì)算和調(diào)整，因此需要謹(jǐn)慎處理。最后，定期的維護(hù)和校準(zhǔn)也是調(diào)整非線性誤差的重要手段。這包括清潔、潤(rùn)滑和檢查齒輪、扇形齒輪和彈性元件的狀態(tài)。通過維護(hù)和校準(zhǔn)，可以確保壓力表的性能在高精度范圍內(nèi)，減小非線性誤差的影響。

4.3 線性誤差的調(diào)整方法

首先，可以通過調(diào)整彈性元件式壓力表的機(jī)芯來實(shí)現(xiàn)線性誤差的調(diào)整。機(jī)芯是壓力表的核心部件，它包括齒輪、扇形齒輪、連桿等元件。通過微調(diào)這些元件的位置和相對(duì)關(guān)系，可以改變傳動(dòng)比，從而調(diào)整線性誤差。這需要仔細(xì)的技術(shù)和精確的操作，通常由專業(yè)技術(shù)人員來完成。其次，使用標(biāo)準(zhǔn)壓力源進(jìn)行校準(zhǔn)是另一種調(diào)整線性誤差的方法。將彈性元件式壓力表連接到已知精度的標(biāo)準(zhǔn)壓力源上，并比較壓力表的示值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的差異。根據(jù)差異的大小和方向，可以調(diào)整壓力表的傳動(dòng)比，以減小線性誤差。這種方法需要標(biāo)準(zhǔn)壓力源和專業(yè)的校準(zhǔn)設(shè)備。

4.4 示值變動(dòng)量超差的調(diào)整方法

首先，仔細(xì)檢查壓力表的內(nèi)部機(jī)械部件是確保其準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵步驟。這些機(jī)械部件，如齒輪、扇形齒輪、銷軸和彈簧，直接影響著壓力表的性能。在進(jìn)行檢查時(shí)，需要注意任何松動(dòng)、損壞或磨損的跡象。松動(dòng)的部件可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，從而引發(fā)誤差。如果發(fā)現(xiàn)任何問題，務(wù)必及時(shí)采取措施修復(fù)或更換受影響的部件，以確保機(jī)械部件能夠正常運(yùn)行。其次，齒輪和扇形齒輪的嚙合間隙均勻性對(duì)于壓力表的準(zhǔn)確度至關(guān)重要。不均勻的間隙可能導(dǎo)致示值變動(dòng)，使測(cè)量結(jié)果不可信。為了解決這個(gè)問題，需要小心地進(jìn)行調(diào)整。檢查齒輪和扇形齒輪之間的間隙，確保它們?cè)谡麄€(gè)齒輪的表面上均勻分布。如果存在不均勻的情況，可以使用專業(yè)工具進(jìn)行微小的調(diào)整，以確保它們正確地嚙合在一起，消除了不均勻間隙可能引發(fā)的誤差。再次，校準(zhǔn)彈簧是維護(hù)彈性元件式壓力表精確度的重要步驟。彈簧的彈性和穩(wěn)定性對(duì)于確保準(zhǔn)確的壓力測(cè)量至關(guān)重要。通常，校準(zhǔn)彈簧需要使用專業(yè)的校準(zhǔn)設(shè)備和知識(shí)，因此最好將此任務(wù)委托給經(jīng)驗(yàn)豐富的維修人員。校準(zhǔn)過程涉及將壓力應(yīng)用到壓力表上，然后比較其讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值之間的差異。根據(jù)差異的大小，可以通過微調(diào)彈簧的張力來校準(zhǔn)壓力表，以確保其準(zhǔn)確性。這一過程需要高度的精確性和專業(yè)知識(shí)，以確保彈簧的性能得到最佳的調(diào)整和校準(zhǔn)。最后，為了保持彈性元件式壓力表的準(zhǔn)確性，需要注意防止外部因素對(duì)其示值的影響。外部因素，如振動(dòng)、溫度變化或電磁干擾，都可能導(dǎo)致壓力表的讀數(shù)不穩(wěn)定或不準(zhǔn)確。為了減輕這些影響，可以采取隔離措施來維持穩(wěn)定的工作環(huán)境。例如，將壓力表安裝在穩(wěn)定的支架上以減少振動(dòng)的傳遞，控制工作環(huán)境的溫度以防止溫度變化對(duì)壓力表的影響，以及避免將電磁干擾源放置在附近。通過這些預(yù)防措施，可以確保壓力表在各種工作條件下都能提供準(zhǔn)確的壓力測(cè)量結(jié)果，滿足各種應(yīng)用的需求。

5 結(jié)語

綜上所述，彈性元件式壓力表示值誤差的分析及調(diào)修是確保工業(yè)生產(chǎn)過程穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵。通過深入研究和了解壓力測(cè)量設(shè)備的誤差來源，并采取相應(yīng)的調(diào)修措施，能夠?qū)⒄`差限制在合理的范圍內(nèi)，提高壓力測(cè)量的準(zhǔn)確性，為各項(xiàng)生產(chǎn)活動(dòng)的開展提供精確的壓力數(shù)值，降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。