一般压力表示值变化规律硏究

在执行一般压力表国家监督抽查任务过程中,用材料学和统计学方法研究了压力表示值变化规律。试验结果 以及统计数据表明,相对误差连线以逆时针形成闭合回路，压力表示值一般在反行程中间点达到最大值超压试验使 弹性元件产生了较大程度的残余变形,一定时间的自然时效和抗运输环境试验使弹性元件残余变形产生一定程度的 回复弹性元件材料的组织结构以及退火工艺的不同导致不同样本的压力表弹性元件抗残余变形能力差别很大。

一般压力表是通过表内的敏感元件（波登管、 膜盒、波纹管）的弹性形变来测量压力，并由表 内机芯的转换机构将压力形变传导至指针，引起 指针转动来显示压力。一般压力表广泛应用于各 类工业流程和科研领域，尤其在工业过程控制与 测量过程中，由于一般压力表的弹性敏感元件具 有很高的机械强度及使用方便等特点，使其得到 越来越广泛的应用。笔者在执行国家质检总局下 达的《一般压力表产品质量国家监督抽查方案》 (以下简称国抽）任务过程中，对一般压力表示值 变化规律影响因素进行了基础性研究，采用了三 种基本试验方法（基本误差试验、超压试验和抗 运输环境试验），从材料学和统计学角度对影响压 力表符合性判定的影响因素进行探讨，为压力表 计量特性研究提供了理论及实践参考。

1.试验依据和研究方法

1.1试验依据

依据国抽方案以及国抽方案引用的一般压力 表国家标准和国家检定规程：①《一般压力表产 品质量国家监督抽查方案》。②GB/T 1226—2010 一般压力表⑴。③JJG 52—2013弹性元件式一般 压力表、压力真空表和真空表。

1.2研究方法

选取有代表性的10家企业的一般压力表为样 本，其中每家企业有3块相同型号规格的压力表。

(1)基本误差试验：主要检验示值误差、回 程误差和轻敲位移。试验方法依据JJG 52—2013第5. 3. 3条款。

（2）超压试验：以压力上限值的125%承受超 压试验，历时30 min。卸掉负荷后在30 min内按 步骤(1)进行试验，试验方法依据GB/T 1226— 2010第6. 11条款。

（3）抗运输环境试验：仪表在包装完好的情 况下，先按JB/T 9329—1999第4. 4的要求进行碰 撞试验，再按4. 5. 1的要求进行跌落试验。试验结 束后按步骤（1)进行试验，试验方法依据GB/T 1226—2010 第 6. 16 条款。

1.3标准器

量传标准器采用0. 05级活塞式压力计标准装 置，其准确度等级符合量传要求且可溯源至国家 基准。

2.基本误差试验指针的变化规律

基本误差试验考查被检样品计量特性是否能 满足基本的使用要求，由于样本中的压力表测量 范围不尽相同，为比较不同量程压力表的示值误 差，引人“相对误差”的概念，即被检点示值误 差占最大允许误差绝对值的百分比，如式（1)所 示，反映了示值误差与最大允许误差的接近程度。

H, = (P； -Psi)/MPEVx 100% (1) 式中：尽为某测量点的相对误差；P,为示值； 为标准值；为最大允许误差绝对值。

试验中在3个不同量程中分别选取1个样本， 每个样本3个相同型号规格压力表，按照检测点 的顺序，做相对误差连线图，如图1所示。

由图1可得：

（1）相对误差的连线以逆时针形成闭合回 路，连线无交叉，同一测量点反行程相对误差恒 大于或等于正行程相对误差，说明其反行程示值 恒大于或等于正行程示值。产生这种现象的主 要原因是弹性元件的残余变形按照方案要 求，做基本误差试验的压力表在测量上限耐压 3min后，短时间内弹性元件难以完全回复，产 生一定的弹性滞后（弹性后效和弹性迟滞的叠 加）o

（2）正、反行程示值在量程中间区域达到最 大值，反行程的示值最大值为压力表最大示值。 反行程是压力表在测量上限耐压一定的时间（此 时弹性元件达到正行程的最大变形量）后逐渐泄 压的过程，该过程中影响弹性元件残余变形的因 素主要泄压时间和形变差。泄压时间指的是耐压 完成至回程某检测点的时间间隔。形变差指的是 耐压完成时的弹性元件形变量与回程某检测点的 形变量的差值。泄压时间越长，则残余变形越少， 示值小；形变差越大，则残余变形越大，示值大。 在泄压的前期，形变差起主要作用；而在泄压后 期，泄压时间起主要作用，两者交互作用结果导 致残余变形在压力中间区域达到最大值，故示值 在反行程中间区域出现最大值。

压力表在零点正最大允许误差处有止销的存 在，零点示值误差如果不超过最大允许误差，指 针始终紧靠止销，无法判定零点示值的真实值， 因此在下文计算中不考虑零点的示值。

3.不同试验方法的相对误差绝对值比较

由于“相对示值误差”已经不能定义示值与 标准值偏离程度，因此引入“相对误差绝对值” 的概念，即正、反行程中，各测量点示值误差绝 对值的平均值与最大允许误差绝对值之比。也就是说，就示值和标准值的偏离程度而言，正偏差 和负偏差都同等对待，目P:

w - (f4\pi-pj + i ip； -p,i)/ i=2 i=2

[2(n-l)MPEV] xlOO% (2)

式中：见为相对误差绝对值；P,为正行程示值 P为反行程示值；为标准值；MPEV为最大允 许误差绝对值。

各样本的相对误差绝对值如表1所示。

从表1可以看出：

（1）总平均值一行中，超压试验后，全部样 本的相对误差绝对值(33. 36%)超过首次试验误 差（21.21%)的50%，说明超压试验明显使压力 表示值偏离标准值，在30 min内保持压力表上限 1. 25倍的压力值使得弹性元件产生了较大的残余 变形，增大示值误差。压力表的测量上限是由弹 性元件的弹性极限再除以一个安全系数得出，一 般安全系数的取值在1. 5 ~ 2范围，如果安全系 数太小’超压试验中使用的压力值很可能达到甚 至超过了弹性极限，导致塑性变形的产生，从而 导致较大的示值误差。抗运输环境试验后相对误 差绝对值略小于超压试验误差值，说明经过自然 时效及抗运输环境试验后弹性元件残余变形产生 一定程度的回复。

（2）相对标准偏差反映了各次试验中样本相 对误差绝对值的分散程度，可以看出，基本误差试验和抗运输环境试验的值很接近，而超压试验 超出基本误差试验和抗运输环境试验约1/3,说明 超压实验加强了样本相对误差绝对值的分散性, 从而能够反映出各样本压力表的抗超压性能，结 果表明各样本所用的弹性元件抗超压性能差别 较大。

压力表弹性元件的材料选取一般有以下几种： 锡磷青铜、铍青铜、高强度、高弹性合金钢等， 各样本材料的选取以及加工方法的不同导致不同 样本的弹性元件具有不同的组织结构，从而抗 超压性能表现出较大的差异性。

比如在弹性元件中使用广泛的QBe2铍青铜在 0#效时，未进行合理的搅拌，造成硝盐槽炉温不 均引起弹性元件局部出现过时效组织，过时效后y 相沿晶界聚集球化，呈网状，破坏了基体的连 续性，导致弹性元件在加压过程中产生较大的残 余变形，甚至引发断裂。

因此，需要对铍青铜进行低温形变热处理， 即合金在淬火后进行塑性变形，然后再进行时 效。铍青铜经过低温形变热处理，与一般固溶 时效比较，能大大提高合金的弹性极限，还能抑 制合金的晶界反应和降低合金的弹性后效及弹性 迟滞。这是因为淬火及时效之间的冷塑性变形工 序提高了 y'及yn的弥散度及分布的均匀性，以及 细化了亚晶粒并使晶界反应受到抑制。还可以采 用真空双级时效工艺w来提高中间相的弥散均勻 分布程度和析出比例，使得双级时效后的晶界位 置析出相尺寸变大和析出比例增加，从而提高 QBe2铍青铜的材料强度，减少弹性滞后。

4.不同试验方法的相对回程误差比较

回程误差反映了弹性元件的抗残余变形的 能力，相应地引人了 “相对回程误差”的概念， 正、反行程中，各测量点回程误差值的平均值 与最大允许误差绝对值之比值，用百分数表 示，艮P:

R

V = P. _ P'.\)/[{n -l)MPEV] x 100%

i=2 1 1

(3)

式中：F为相对回程误差；尽为正行程示值；P 为反行程示值；为最大允许误差绝对值。

相对回程误差试验数值如表2所示。

从表2可以看出：

（1）总平均值一行中，超压试验的相对回 程误差明显小于另外两次试验。原因是超压试 验已经造成了弹性元件很大残余变形，随之进 行的示值试验已经不能产生额外的残余变形， 因此超压试验后的回程误差明显小于另外两次 试验。

（2）抗运输环境试验的相对回程误差值明显 大于超压试验值而略小于基本误差试验值。说明 在经过一段时间的自然时效及抗运输环境试验后， 弹性元件得到一定程度的回复，因此进行示值试 验时能够产生一定程度的残余变形，导致回程误 差增大。

5.相对示值变化率

为研究相邻两次试验示值的变化规律，引入 了相对示值变化率的概念，即相邻两次试验，正、 反行程中压力表同一点示值变化平均值与最大允 许误差之比，用百分数表示，反映相邻两次试验 同一点示值的变化情况。

Rr.超压试验相对示值变化率，反映了超压 试验示值与基本误差试验示值的差别。

R2：抗运输环境试验相对示值变化率，反映 了抗运输环境试验示值与超压试验示值的差别。

计算公式：

i = 2 t = 2 [2(n -\)MPEV] x 100%

R2 二 [ I - Pm) + I I 4 ~Pmi)V i=2 i=2

[2(n - I)MPEV] x 100%

-3为相对示值变化率试验数值，由总平均 值（无?)数据可得，超压试验对示值变动率的影 响很大，超过了 30%。再次验证了之前得出的 “超压试验使弹性元件产生了较大程度的残余变 形”的结论，而抗运输试验后的相对示值变化率 中，有2个样本为正数，其他8个样本皆为负数, 平均值为负，也从另一个方面证明了 “一定时间 的自然时效和抗运输环境试验使弹性元件残余变 形产生了一定程度的回复”的结论。

6.结论

（1）基本误差试验相对误差的连线以逆时针 形成闭合回路，连线无交叠，相同测量点反行程 示值恒大于或等于正行程示值。正、反行程示值 在量程中间区域达到最大值，反行程的示值最大 值为压力表最大示值。

（2）“相对误差绝对值”以及“相对示值变 化率”计算结果的统计数据表明：超压试验使弹 性元件产生了较大程度的残余变形，而一定时间 的自然时效后以及抗运输试验后，弹性元件残余 变形产生了一定程度的回复。

（3）超压试验的相对回程误差明显小于另外 两次试验。原因在于超压试验后进行的示值误差 试验中，压力表在压力最大值耐压3 min对弹性元 件残余变形的贡献很小。而经过一段时间的自然 时效和抗运输环境试验后，弹性元件得到一定程度的回复，耐压3 min对弹性元件的残余变形贡献增 大，导致回程误差增大。

(4)各样本企业中压力表弹性元件抗残余变 形能力差别很大，表现为相对误差绝对值的相对 标准差，超压试验值超出另外两次试验值约1/3。