彈性元件式一般壓力表示值誤差分析及調修方法探討

王 鵬

（北京市西城區計量檢測所，北京 100055）

1 引言

隨著技術的不斷進步和工業自動化的發展，壓力測量在各個領域的應用變得越來越廣泛，在實際工程應用中，壓力測量設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、機械結構的問題、材料差異、使用環境等多個因素。因此，進行彈性元件式一般壓力表示值誤差分析及調修方法探討，對于壓力表示值誤差的改善具有一定的實際意義。

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部的壓力傳感器元件，這些元件在測量和指示壓力方面扮演著關鍵角色。壓力傳感器元件通常包括一個彈簧管，這個彈簧管具備高彈性和高敏感度的特點，能夠對外部施加在它上面的壓力作出響應。工作時，被測介質的壓力會作用在彈簧管上，導致彈性形變發生。這個彈性形變量與壓力成正比，遵循彈性力學的基本公式F=KX，其中F代表力，K代表彈性系數，X代表位移。

一旦被測壓力連接到壓力表后，彈簧管受到壓力和真空的影響，會發生彈性形變，并將移動到帶有扇形齒輪傳動和指示裝置的位置。此時，連桿會帶動齒輪軸傳動機構，實現傳動和放大功能。因為彈簧管壓力表上配備有指示板和法定計量單位，所以當被測介質的壓力驅動齒輪軸上的指針旋轉時，指針在壓力表的表盤上指示的數值就表示了壓力或真空的值。

2.2 壓力表示值的變化規律

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

首先，連桿和扇形齒輪夾角的變化會顯著影響示值。如果夾角角度較小，指針在壓力表的前半部分刻度范圍內轉動速度會較快，而在后半部分刻度時，指針的轉動速度會減緩。通過調整夾角的大小，可以改變這種速度變化規律，使示值更符合特定的需求。其次，自由端位置對示值也具有影響。當自由端向右偏移時，前半部分刻度的指針轉動速度明顯減緩，而后半部分相反，指針轉動速度變快。如果自由端向左移動，情況將相反。對于彈性元件式壓力表，如果出現示值誤差，其中一個可能原因是初始角度太小，限制了自由端位移變化量，需要通過調整自由端來解決。再次，機芯的旋轉方向也會對示值產生影響。順時針旋轉機芯時，壓力表在前半部分顯示的示值轉動速度較慢，進入后半部分后轉速加快。反之，逆時針旋轉機芯時，前半部分的示值轉速較快，后半部分則相反。這種旋轉方向對示值的影響需要在調整和校準時考慮。最后，連桿移動引起的角度變化也會影響壓力表的示值。通常情況下，指針在表盤上的轉動偏移角度與連桿移動角度大致相同。如果夾角角度較大，當刻度盤表面的指針發生偏移時，對應夾角也會增加，反之則減小。為確保準確性，指針轉動角度和刻度盤表面的刻度線角度應盡量一致，通常最理想的角度是270度。不一致的角度可能導致非線性誤差。

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，沒有完全指向零刻度位置，而出現了一定程度的偏差。這個偏差可能會導致測量不準確，因為即使沒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，彈性元件可能在長時間的使用中失去了一部分彈性，導致其彈性特性發生變化。這種變化會影響壓力傳感元件的靈敏度和回彈性，進而影響到零位的準確性。同時，如果機芯間隙過大或存在松動，將會導致壓力表指針在零位時的不穩定性，因為這些間隙會影響機芯的運動和指針的位置。其次是齒輪脫離嚙合現象。在彈性元件式壓力表中，齒輪通常用于傳遞壓力信號并驅動指針的運動。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確，從而引發零位超差。這種問題可能是由于機械部件的磨損、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系會直接影響到零位的準確性。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，將導致零位超差。

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際壓力之間的關系不是線性的，即壓力的增加或減少對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為以下幾點。

首先，彈性元件材料及工藝差異可能導致非線性誤差。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。這些差異可能導致在不同壓力范圍內，彈性元件的彎曲或形變特性不同，從而引發非線性誤差。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，將導致在不同壓力下傳遞給指針的力不一致，從而引發非線性誤差。最后，傳動比的影響也可能導致非線性誤差。傳動比是指指針在壓力范圍內的轉動速度與壓力的關系。如果傳動比不均勻或不恰當，將導致在不同壓力下指針的運動速度不同，進而引發非線性誤差。

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際壓力之間的關系不符合線性特性，即壓力表的響應不是均勻的，在不同的壓力范圍內，示值誤差可能不同。線性誤差通常以百分比或絕對壓力單位表示。主要引起線性誤差的原因包括以下幾點。

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力不同，這種非均勻性可能導致在不同的壓力范圍內出現線性誤差。其次是傳感器設計問題，壓力傳感器的設計可能會導致線性誤差。例如，如果彈性元件與其他傳感器組件的安裝或定位不當，就可能影響傳感器的線性響應。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，也可能導致線性誤差。這些特性可能在不同壓力下表現出不同的響應。

3.4 示值變動量超差

示值變動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，當施加輕微的外力或震動時，壓力表的指針出現不穩定或明顯的波動現象，導致示值的變化超出了預期范圍。這種變化可能會引起不確定性和不可靠的測量結果，特別是在需要精確測量的應用中。示值變動量超差通常由以下因素引起：

首先，當彈性元件式壓力表受到振動或沖擊時，指針可能會出現瞬時的位移，導致示值的變動。摩擦位移也可能由于機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，是指壓力表內部銷軸部件出現松動或鉚接不牢固的情況，可能導致指針的不穩定運動和示值的變動。再次，齒輪和扇形齒輪之間的嚙合間隙以及皮帶的大小對壓力表的性能也有影響。不均勻的齒輪嚙合間隙可能導致指針在表盤上的運動不穩定，而皮帶過緊或過松可能導致傳動機構的不均勻運動。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對壓力表的性能至關重要。如果它們安裝不正確或存在問題，可能導致指針的不準確運動和示值的變動。

4 彈性元件式一般壓力表示值誤差的調整方法

4.1 零位超差的調整方法

首先，可以對彈簧管本身進行調整。這包括對彈性元件的張力進行微調，以恢復其彈性特性。這通常需要專業的工具和技能來確保調整的準確性。這個過程需要謹慎進行，以避免造成更大的誤差。其次是機芯間隙調整，可以檢查和調整機芯中的零部件，確保它們之間的間隙處于適當的范圍內。這可能需要拆卸和重新組裝壓力表的機芯，因此需要謹慎操作。再次是齒輪嚙合調整，如果齒輪脫離嚙合是問題的根本原因，可以對齒輪和相關部件進行檢查和調整。確保齒輪正確嚙合并傳遞信號。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整，中心齒輪的位置對零位的準確性至關重要。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，可以進行調整以保持正確的位置。

4.2 非線性誤差的調整方法

首先，可以通過選用更合適的彈性元件材料和改進的制造工藝來減小非線性誤差的發生。不同材料的彈性特性會導致不同的非線性誤差，因此選擇合適的材料對于降低誤差至關重要。同時，制造工藝的精度和質量控制也必須得到改進，以確保壓力表的各個部件的制造精度達到要求。其次，非線性誤差的調整也可以通過改進齒輪和扇形齒輪的制造質量來實現。這些齒輪的均勻嚙合非常重要，不均勻的嚙合會導致非線性誤差的增加。再次，調整傳動比也是減小非線性誤差的有效方法。通過重新設計或調整傳動比，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。這需要精確計算和調整，因此需要謹慎處理。最后，定期的維護和校準也是調整非線性誤差的重要手段。這包括清潔、潤滑和檢查齒輪、扇形齒輪和彈性元件的狀態。通過維護和校準，可以確保壓力表的性能在高精度范圍內，減小非線性誤差的影響。

4.3 線性誤差的調整方法

首先，可以通過調整彈性元件式壓力表的機芯來實現線性誤差的調整。機芯是壓力表的核心部件，它包括齒輪、扇形齒輪、連桿等元件。通過微調這些元件的位置和相對關系，可以改變傳動比，從而調整線性誤差。這需要仔細的技術和精確的操作，通常由專業技術人員來完成。其次，使用標準壓力源進行校準是另一種調整線性誤差的方法。將彈性元件式壓力表連接到已知精度的標準壓力源上，并比較壓力表的示值與標準值之間的差異。根據差異的大小和方向，可以調整壓力表的傳動比，以減小線性誤差。這種方法需要標準壓力源和專業的校準設備。

4.4 示值變動量超差的調整方法

首先，仔細檢查壓力表的內部機械部件是確保其準確性和可靠性的關鍵步驟。這些機械部件，如齒輪、扇形齒輪、銷軸和彈簧，直接影響著壓力表的性能。在進行檢查時，需要注意任何松動、損壞或磨損的跡象。松動的部件可能會導致機械結構不穩定，從而引發誤差。如果發現任何問題，務必及時采取措施修復或更換受影響的部件，以確保機械部件能夠正常運行。其次，齒輪和扇形齒輪的嚙合間隙均勻性對于壓力表的準確度至關重要。不均勻的間隙可能導致示值變動，使測量結果不可信。為了解決這個問題，需要小心地進行調整。檢查齒輪和扇形齒輪之間的間隙，確保它們在整個齒輪的表面上均勻分布。如果存在不均勻的情況，可以使用專業工具進行微小的調整，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的誤差。再次，校準彈簧是維護彈性元件式壓力表精確度的重要步驟。彈簧的彈性和穩定性對于確保準確的壓力測量至關重要。通常，校準彈簧需要使用專業的校準設備和知識，因此最好將此任務委托給經驗豐富的維修人員。校準過程涉及將壓力應用到壓力表上，然后比較其讀數與標準值之間的差異。根據差異的大小，可以通過微調彈簧的張力來校準壓力表，以確保其準確性。這一過程需要高度的精確性和專業知識，以確保彈簧的性能得到最佳的調整和校準。最后，為了保持彈性元件式壓力表的準確性，需要注意防止外部因素對其示值的影響。外部因素，如振動、溫度變化或電磁干擾，都可能導致壓力表的讀數不穩定或不準確。為了減輕這些影響，可以采取隔離措施來維持穩定的工作環境。例如，將壓力表安裝在穩定的支架上以減少振動的傳遞，控制工作環境的溫度以防止溫度變化對壓力表的影響，以及避免將電磁干擾源放置在附近。通過這些預防措施，可以確保壓力表在各種工作條件下都能提供準確的壓力測量結果，滿足各種應用的需求。

5 結語

綜上所述，彈性元件式壓力表示值誤差的分析及調修是確保工業生產過程穩定可靠的關鍵。通過深入研究和了解壓力測量設備的誤差來源，并采取相應的調修措施，能夠將誤差限制在合理的范圍內，提高壓力測量的準確性，為各項生產活動的開展提供精確的壓力數值，降低生產風險。