哈佛经理权力管理25

压力计量检定员考核培训班讲义（弹簧管压力表检定部分）第一节弹性元件及特性前面已介绍了几种常用的测压仪器中，如活塞压力计，液体压力计。现在向大家介绍另一种压力仪表—弹簧式压力表。弹簧式压力仪表的制造原理是：根据胡克定律，利用弹性元件在弹性范围内的变形与所受外界压力成正比的原理制成的测压仪器。下面介绍一下弹性元件的有关特性和力学性能。一、弹性元件在工业自动化装置中，通常把利用材料的弹性特性完成各种功能的元件称为弹性元件。弹性元件所能完成的功能有如下几个方面：1.对被测物理量进行变换如把一些难以直接测量的压力、流量、温度等物理量转换成便于测量的长度、角度、或把流量、温度、电流、电压方便的转换成力、压力和力矩来测量。2.介质隔离如在强腐蚀性或粘滞介质中使用的仪表，为防止这些介质进入测量元件的内部，可采用弹性元件进行隔离。（膜片）3.温度补偿有些仪表要求对工作环境变化造成的误差进行补偿，弹性元件能在一定范围内完成这一功能。如热敏双金属用温度变化产生变形，可改变传动机构的某个参数，从而补偿仪表的温度变化。4.贮能计时仪表和钟表中的发条就是弹性元件，发条就是典型的弹性元件。很明显，弹性元件是一种十分重要的功能元件，其质量的优劣直接影响仪表的精度和可靠性。我国情况：1.建立弹性元件的专门机构，从事理论和生产技术的研究。2.做到标准化、系列化和通用化。3.规格品种齐全，质量不断提高。二、种类用于工业仪表中的弹性元件，按结构特征可分成：①片簧②张丝③吊丝⑤盘簧⑥螺旋弹簧⑦热敏双金属⑧压力弹簧管⑨膜片、膜盒⑩波纹管⑾振动弦，振动筒而压力测量仪表中常用的是弹簧管（单圈、多圈）、膜片、膜盒和波纹管等。三、基本特性弹性元件虽然种类繁多，设计结构也各不相同，但它们却有共同的基本特性，主要包括以下一些特性：1.弹性特性—作用于弹性元件上的载荷与弹性元件产生的位移之间的关系称为弹性元件的弹性特性。载荷可能是压力、力或力矩。位移可能是线位移或角位移。比如膜盒（片）、波纹管的弹性特性是指压力与线位移的关系。而单圈弹簧管（多圈）弹性特性是指压力、力矩与线位移或角位移的关系。弹性特性可用数学式表示：W=ƒ(þ.P)Φ=ƒ(þ.P.M)式中W—弹性元件的线位移。þ—作用在弹性元件上的集中力。P—作用在弹性元件上的压力。M—作用在弹性元件上的力矩。Φ—弹性元件的角位移。弹性特性也可以用曲线图表示W(Φ)线（角）位移弹性特性曲线图123集中力þ（P，M）•弹性特性可以是线性的如（图中1）•弹性特性可以是非线性的如（图中2、3）其中：2为递减特性3为递增特性用于测量的弹性元件，不论其特性属于那一种，都要求能准确地实现其弹性特性，并希望在使用过程中保持弹性特性不变，否则将影响仪表的精度和稳定性。2.灵敏度—弹性元件在单位载荷（压力、力或力矩）作用下，所产生的位移量叫做弹性元件的灵敏度，一般用“S”来表示。当弹性特性为线性时，其灵敏度为：Sp=当弹性元件为非线性时，其灵敏度为Sp=WPdwdp3刚度－使弹性元件产生单位位移（转角）所需要的作用压力（或力矩、力）叫做弹性元件的刚度。一般用K来表示线性kp=或kM=kp=非线性kp=或kM=kp=Ø—弧度M—力矩4弹性后效—当载荷停止变动或完全卸载后，弹性元件不能立刻完成相应的位移，而是需要经过一段时间才逐渐完成的现象称弹性后效。由图所示，当作用到弹性元件S上的压力由零增加到S1，然后在压力P1保持不变的情况下，位移继续增大到S2。反之，当压力降到零时，位移从S2减小到S3,然后才逐渐降到零。因此弹性后效PpwMpwdpdwdmddpdwS1S2S30P1表现为弹性元件承受压力后，位移发生了时间的迟后性。5弹性滞后—弹性元件在加载与卸载过程中，弹性特性曲线不相重合的现象称为弹性滞后。从图中可以看出，在同一压力P1下S加载与卸载时的位移不一至分别为S1和S2。用加载和卸载时位移的最大差值和弹性元件的最Smax大位移的百分比值表示弹性S2滞后的大小S1实际上，弹性后效和弹性滞后是P1PmaxP同时发生的，表现为两者的叠加，一般不单独考虑。弹性后效和弹性滞后叠加后统称为迟滞误差。可见由于弹性元件弹性后效和弹性滞后的存在，是使仪表指示误差的根本原因，因此制造仪表时，maxmaxsmaxmax100%s应合理选择弹性元件，力求减小弹性后效和弹性滞后。6温度影响—是弹性元件的工作温度发生变化时，其几何尺寸与材料的弹性模量也会发生变化，从而产生温度误差。弹性模量随温度的变化关系可近似表示为：Et=Eo（1+reΔt）式中Et—当温度为t时，材料的弹性模量。Eo—当温度为to（20°c）时，材料的弹性模量。re—弹性模量的温度系数。Δt—温度变化量（Δt=t–to）通常在材料的选择方面，要用弹性模量re为负数的材料，所以当周围环境温度下降时弹性模量增加，位移减小，反之则大。常用材料的弹性模量温度系数表材料规格re磷青铜QSn6.5—0.1-4.8×10-4不锈钢1cr18Ni9Ti-3.5×10-4铍青铜QBe2-3.1×10-4黄铜H62-4.8×10-4实际上，弹性元件位移和作用压力之间为线性关系，其位移随温度变化而变化的改变量符合下式ΔWt=-wo（圆管很小）ΔWt—温度为to的位移改变量。wo—标准温度时的位移量（to）Δt—温度变化量（Δt=t–to）.1.retret..wret例：用铍青铜制成的弹簧管在20°c，0.05MPa时，管端位移量wo=2mm，在-40°c时，管端位移变化量是多少?解:Δt=（-40）-（+20）=-60°cΔwt=-0.036mmΔwt为负值时，说明当温度为-40°c时，弹簧管位移量减小。另外下面几个有关弹性元件受力后的变形概念很重要。弹性变形—弹性元件在外力作用下而发生变形，去掉外力又恢复原状的现象称为弹性变形。塑性变形—当弹性元件承受产生弹性变形的外力继续增加，即使去掉外力后，不能恢复原状的这种变形。弹性极限—通常以不使弹性元件产生塑性变形的最大应力（或弹性元件与作用力成直线关系的应力）。SPmaxP疲劳变形—当弹性元件承受一个比弹性极限小的力，反复进行若干次，虽然弹性元件不破坏，但去掉外力后，仍不能恢复的变形。蠕变—当弹性元件持续承受一个小于弹性极限的力，去掉外力后，也不能恢复原状的变形。塑性变形，疲劳变形，蠕变统称为承受性变形。对压力表来说，是不许有承受性变形的，否则仪表失灵，精度降低甚至不能使用。通过以上我们看到：1用于制造压力表的弹性元件需要有高的弹性极限、疲劳极限、良好的塑性以及较小弹性模量的温度系数。2使用中防止压力超过弹性极限。合理使用仪器使仪器不至于产生疲劳变形和塑性变形。第二节弹簧管的压力表一、弹簧管压力表的特点早在1849年，法国机械师波登就制造出弹簧管，并利用弹簧管制成了压力表。一个半世纪以来，弹簧管压力表始终作为一种主要测压仪表被广泛地用于工农业生产的第一线及军事科研和日常生活中，它与其它测压仪表相比，具有如下特点：1.结构简单，安装使用方便（不要其它辅助设备和特殊的保养和维护方法）如温度、振动、湿度。2.读数直观（因为指针式，便于工作人员直接精读及了解工作运行状态）3.价格便宜（几十元、几百元，而同样目的的数显仪表几乎上万元）4测量范围广，且能满足必要的精度（从几十帕至几百兆帕，精度从4级—0.1级）5.直接测量蒸汽、油、水和气体等的表压力、气压、分压和绝压。缺点：（1）有弹性迟滞误差（弹性后效和弹性滞后叠加），精度不高（2）反应速度慢，不宜作动态测量。二、压力表分类弹性压力表的分类有多种多样，各种教材分法不同。有的按:（1）根据弹性敏感元件种类分：弹簧管式，螺旋弹簧管式，薄膜式，膜盒和膜盒组式，波纹管式。（2）根据测压种类：（3）根据耐抗和防护性：（4）精度等级和表壳分段直径等：•我们这里分成两类：1.一般型称为一般压力表（即原来的普通压力表）其技术指标根据国际GB1226-86执行。准确度等级分为：1、1.6、2.5、4级外型尺寸分为：ø40，ø60，ø100，ø150，ø200，ø250等2.精密型精密型称为精密压力表（即原来的标准压力表）其技术指标按国际GB1227-86执行。准确度等级分为：0.06、0.1、0.16、0.25、0.4级(0.6级生产厂家不生产，为0.4级降级使用)外型尺寸为：ø150，ø200，ø250但由于种种原因，实际工作中一般压力表外型尺寸还有Ø104、Ø260，精密型外型尺寸还有Ø160，0.35级的。另外，目前国内生产的精密压力表外型结构还有台式，精度达0.16级，或多圈表0.1表。三、弹簧管压力表的结构型式及工作原理压力表结构：弹簧管压力表主要由弹簧管、传动放大机构、指示机构和表壳四大部分组成。弹簧管压力表结构示意1-表壳；2-弹簧管；3-指针；4-上夹板；5-连杆；6-刻度盘；7-接头；8-示值调节螺钉；9-扇形齿轮；10-中心齿轮；11-游丝；12-下夹板；13-固定游丝螺钉•①弹簧管：它是一跟弯曲成圆弧形状、常常为椭圆形横截面的空心管子。它的一端焊接在压力表的管座上固定不动，并与被测压力的介质相连通，管子的另一端是封闭的自由端，在压力的作用下，管子的自由端产生位移，在一定的范围内，位移量与所测压力呈线性关系。•②传动机构：一般称为机芯，它包括扇形齿轮、中心齿轮、游丝和上下夹板、支柱等零件。传动机构的主要作用是将弹簧管自由端的微小位移加以放大，并转换成仪表指针的圆弧形旋转位移。•③指示机构：包括指针、刻度盘等，其作用是将指针的旋转位移通过刻度盘的分度指示出对应的被测压力值。④表壳：它的主要作用是固定和保护上述三部分以及其他的零部件。一般压力表和精密压力表结构基本一致，区别在于：精密压力表零件加工和装配要求比较精细、严密，传动部分一般镶有微压宝石轴承，在油压调节增加微调装置和温度补偿装置。压力表的工作原理：被测介质的压力进入弹簧管内，弹簧管自由端将产生位移，该位移通过传动放大机构放大，带动指针旋转，将被测压力在度盘上指示出来。四、弹簧管前面我们已经知道，弹簧管为一个弯曲的金属空管，一端封密，称为自端，另一端固定在基体上，称为开口端（进压端）。1.管子截面均是非圆形截面：有椭圆形，平椭圆形，哑铃形，弓形。特征除单圈的外（C型）还有：盘旋形，螺旋形，“S”型。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)常见的弹簧管截面形状（a）平椭圆形（b）随圆形（c）D形（d）偏心形（e）双零形（f）8字形（g）厚壁平椭圆形（h）偏心形•平椭圆形、椭圆形和D形是常见的横截面形状。椭圆形截面和平椭圆形截面制造简单，在相同的外形尺寸具有较大的灵敏度，D形截面的灵敏度相对来讲要小一些，工艺比较困难，但是它的测压范围比椭圆形及平椭圆形截面要宽。双零形截面主要用于某些要求弹性元件具有最小起始容积的仪表中。8字形和厚壁平椭圆形截面的弹簧管的强度高，阻碍弹簧管形变能力强，常用于高压测量，另外，偏心形截面的压力弹簧管也在高压测量中得到广泛的应用。•弹簧管自由端的角位移变化量确定以后，还可得到弹簧管自由端的位移：2.弹簧管的工作原理当压力经开口端进入弹簧管后，弹簧管非圆形截面力图趋于圆形。使管子的曲率半径增大，引起自由端作伸直位移运动。BB′A′Ao下面逐个图解介绍一下弹簧管受压前后尺寸的变化情况。设弹簧管受压前后尺寸分别为：R外，R’外—管子受压前后曲率外半径。R内,R’内—管子受压前后曲率内半径。b,b’—管子椭圆截面外短半轴。r,r’—管子受压前后的中心角。由于弹簧管变形很小，可以认为变形前后的管子弧长不变，根据圆弧长公式（半径×圆弧角），有：R外.r=R’外.r’①R内.r=R’内.r’两式相减得:(R外-R内).r=(R’外-R’内).r’②而(R外-R内)=2b，(R’外-R’内)=2b’则有：b.r=b’.r’③由于管子受压，椭圆截面向圆形变化，则椭圆缩短，短轴b增长，即：b’b,但是受压前后短轴与中心角为：r’r设b’=b+Δb④r’=r-ΔrΔ代入③有：b.r=(b+Δb)(r-Δr)b.r=b.r