壓力儀表彈性元件的特性及評定方法

孫曉全 / 河南省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

彈性式壓力表、真空表、壓力真空表、氣壓表以及其他各種專門用途的彈性式壓力儀表，主要用于測量各種液體、氣體或蒸汽的表壓力和大氣壓力。彈性式壓力儀表具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、造價(jià)低廉、測量范圍寬廣等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛的應(yīng)用。

彈性式壓力儀表的工作原理是利用各種形式的彈性元件作為敏感元件來感受壓力，彈性元件受壓變形后產(chǎn)生的反作用力與被測壓力相平衡，此時(shí)彈性元件的形變就是所受壓力的函數(shù)，這樣就可以通過測量彈性元件的形變量來測得所受壓力的大小。

1 彈性元件的分類

根據(jù)彈性敏感元件形狀的不同，可以將其分為彈簧管式（單圈彈簧管和多圈彈簧管即螺旋管）、膜片式、膜盒式和波紋管式，圖1為彈性敏感元件的分類。

圖1 彈性敏感元件的分類

2 彈性元件的主要特性

2.1 彈性形變

在彈性極限范圍內(nèi)，彈性元件的形變與壓力成正比。當(dāng)作用壓力取消后，彈性元件能恢復(fù)到初始尺寸和形狀，這種現(xiàn)象稱為彈性形變。

2.2 彈性后效

加在彈性元件上的負(fù)荷停止或完全卸荷后，彈性元件不是立即完成相應(yīng)的形變，而是在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)發(fā)生形變的現(xiàn)象就叫做彈性元件的彈性后效。

2.3 彈性滯后（彈性遲滯）

加在彈性元件上的負(fù)荷在其彈性極限范圍內(nèi)進(jìn)行緩慢變化時(shí)，加載特性曲線與卸載特性曲線不重合的現(xiàn)象，稱為彈性元件的彈性滯后（彈性遲滯）。

2.4 永久形變（殘余形變）

有些彈簧管在去除外力后，經(jīng)過幾天的時(shí)間仍不能恢復(fù)到原來的形狀和尺寸，說明彈簧管產(chǎn)生了永久形變（殘余形變）。這種形變可分為三種情況：

1）彈性元件在壓力作用下產(chǎn)生形變，當(dāng)壓力除去后，彈性元件不能恢復(fù)到原來的形狀，這種形變叫做塑性形變。

2）彈性元件在交變負(fù)荷作用下，容易產(chǎn)生微小的應(yīng)力而疲勞，從而造成彈性元件的損壞，在除去負(fù)荷后，不能恢復(fù)到原來的形狀，這種形變叫做疲勞形變。

3）彈性元件持續(xù)地承受負(fù)荷，也會產(chǎn)生疲勞，當(dāng)除去負(fù)荷后，彈性元件不能恢復(fù)到原來的形狀，這種形變叫做彈性元件的蠕變。

為了盡可能地避免過早出現(xiàn)永久形變，需要給彈性元件規(guī)定足夠的安全系數(shù)，將彈性元件的彈性極限壓力與最大工作壓力（即壓力表的測量上限）之比稱為安全系數(shù)，

式中：k—安全系數(shù)；

p0—彈性極限壓力，Pa；

pmax—最大工作壓力，Pa

通常，一般壓力表k為2，精密壓力表k為4。

3 彈性元件對壓力表的影響及評定

從上述分析中可以看出彈性式壓力儀表的質(zhì)量取決于彈性元件的優(yōu)劣：彈性后效是壓力儀表產(chǎn)生示值誤差的主要因素，它對壓力儀表的定級起著決定性作用；彈性滯后（彈性遲滯）是產(chǎn)生回程誤差的主要原因；而當(dāng)彈性元件出現(xiàn)永久形變時(shí)，壓力儀表往往已經(jīng)無法滿足使用要求，需要進(jìn)行更換了。因此，對壓力表的檢定或檢驗(yàn)實(shí)際上主要就是對壓力儀表彈性元件的彈性特性進(jìn)行評定。

在彈性元件式一般壓力表和精密壓力表的國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG 52-2013、JJG 49-2013和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1226-2010、GB/T 1227-2010中制定了專門的條款，對彈性元件的上述特性進(jìn)行評定：

1）對于彈性后效，在JJG 52-2013、JJG 49 -2013中是以示值誤差檢定的方法進(jìn)行評定，在GB/T 1226-2010、GB/T 1227-2010中是以基本誤差檢驗(yàn)的方法進(jìn)行評定；

2）對于彈性滯后（彈性遲滯），在JJG 52 -2013、JJG 49-2013中是以回程誤差檢定的方法進(jìn)行評定，在GB/T 1226-2010、GB/T 1227-2010中是以回差檢驗(yàn)的方法進(jìn)行評定；

3）對于永久形變，在JJG 52-2013、JJG 49 - 2013中是以在測量上限處耐壓3min的方法進(jìn)行評定，在GB/T 1226-2010、GB/T 1227-2010中是以超壓試驗(yàn)和交變壓力試驗(yàn)的方法進(jìn)行評定。

4 結(jié)語

可以看出，國家計(jì)量檢定規(guī)程和國家標(biāo)準(zhǔn)對于彈性元件的彈性后效和彈性滯后（彈性遲滯）的評價(jià)方法是基本一致的。對于彈性元件永久形變的評價(jià)，檢定規(guī)程采用的是在測量上限處耐壓3min的方法進(jìn)行評定，而國家標(biāo)準(zhǔn)則采用了更為嚴(yán)格的超壓試驗(yàn)和交變壓力試驗(yàn)的方法進(jìn)行評定。根據(jù)需要進(jìn)行檢定或檢驗(yàn)即可確定壓力表的性能是否滿足使用要求。

[1]姚士春編著.壓力儀表使用 維修與檢定[M].北京：中國計(jì)量出版社，2003.

[2]全國壓力計(jì)量技術(shù)委員會.JJG 49－2013[S].北京：中國計(jì)量出版社，2013.

[3]全國壓力計(jì)量技術(shù)委員會.JJG 52-2013[S].北京：中國計(jì)量出版社，2013.

[4]全國工業(yè)過程測量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC124）.GB/T 1226-2010[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[5]全國工業(yè)過程測量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC124）.GB/T 1227-2010[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.