压力表计量检测基础知识
压力表计量检测基础知识
一、压力定义及其计量单位
1 压力的定义
1.1 一般定义
压力一般定义是:垂直作用并均匀分布在单位面积上的力。从字面上看，定义用字不多，很简单;从另一面讲，是精炼，是对压力含义的高度概括。所以，在解读压力定义的时候，要着重理解其中两个重要因素，即力的垂直性和分布的均匀性，这两个重要的因素是从事压力计量和测试的出发点。
压力定义的科学性和可操作性还反映在可用简单的数学公式表示:
由式(1)可以清楚地看出:压力的大小决定于作用力和受力面积的大小。压力的大小与作用力成正比，作用力大压力大，作用力小压力小; 压力大小与受力面积成反比，受力面积大压力小，受力面积小压力大。活塞式压力计是实现式(1)的最理想的压力计量仪器。
提示1 : 压力在物理学上通常称为压强。
提示2. 根据我国法定计量单位规定，式(1)中的压力符号p是用小写斜体英文字母。不得使用符号大P字母。
1.2 广义定义
前面介绍了压力的一般定义，但在实际工程技术中常常需要使用到压力的广义定义。
现在假设有一任意平面S ，如图1 所示，它的法线方向为n-n ， 即n-n 垂直面积S。有一任意方向的作用力F ， 与法线n-n 的夹角为α ，因此，作用力F 在法线方向上的分力凡大小为:
根据压力一般定义，作用力F 垂直作用在面积S 上产生的压力为
可见，由式( 3 ) 所获得的压力p' 比式( 1)获得的压力p‘要小，压力减小的程度取决于夹角α的大小， α越大、p' 越小， α 越小、p' 越大。因此，在检定或校准压力表时，通常要求压力表要垂直安装;在活塞式压力计的检定规程中，对活塞的安装位置也提出了垂直度的要求。道理就在这里。
压力的定义是设计、制造、使用、计量压力仪器仪表的依据，在压力计量的实践中应全面、深入理解压力定义的含义、并用它来指导压力计量技术工作和计量检定工作。
二、压力表的分类方法
为了便于工作上的交流以及正确选用、使用、比较和计量检定压力表，需要对压力表进行适当的分类。下文介绍十种压力表分类方法(不是绝对的分类方法)。
1 按测量压力的类别分类
( 1 )压力表;
( 2 ) 真空表;
( 3 )压力- 真空表;
( 4 ) 差压表;
( 5 )绝压表。
2 按测量范围大小分类
(1)-40000~40000Pa
(2)0~0.06MPa、0~0.1MPa、0~0.16MPa、0~0.25MPa、0~0.4MPa,0~0.6MPa,0~1MPa,0~1.6MPa,0~2.5MPa,0~4MPa、0~6MPa、0~10MPa、0~16MPa、0~25MPa、0~40MPa、0~60MPa、o~100MPa,0~160MPa,0~250MPa,0~400MPa、0~600MPa、0~1000MPa
(3) -0.1~0MPa
(4)-0.1~0.06MPa、-0.1~0.15MPa、-0.1~0.3MPa,-0.1~0.5MPa,-0.1~0.9MPa、-0.1~1.5MPa、-0.1~2.4MPa
上述1 、2 两种压力表分类方法的关系，见表1 ( 一般压力表)和表2 (精密压力表)。
注: 压力真空表的盘程分别为: 0.16, 0.25 , 0.4, 0.6, 1.0, 1.6,2.5 (MPa) ， 与压力表的测量上限一致，这样，准确度等级和最大允许误差才能相同。
三、 弹性元件特性及其在压力表中的应用
1 弹性元件及其使用的材料
1.1 弹性元件的种类
压力表使用的弹性元件目前有如下四种形式：
弹簧管：分为C 形弹簧管、螺旋管、盘旋管。
膜 片：分为平面膜片、波纹膜片（可按波纹的截面形状又分若干种）。
膜 盒：分为单膜盒、膜盒组（两膜盒、三膜盒等）。
波纹管：分为无缝波纹管、焊接波纹管（可按波纹的截面形状又分若干种）。
1.2 弹性元件使用的材料
锡磷青铜：牌号有QSn6.5-0.1，QSn4-0.3。
铍青铜：牌号有 QBe2。
高强度、高弹性合金钢：牌号有 50GrVA。
恒弹性合金钢：牌号有 3J53 等。
不锈钢：牌号有1Gr18Ni9Ti， 0Gr18Ni9 (SUS304)，0Gr17NI12MO2(SUS316) 等。
2 弹性元件的基本特性
弹性元件的基本特性包括：弹性特性、刚度、灵敏度、弹性后效、弹性迟滞、弹性滞后、疲劳极限、环境温度影响等内容。
四、压力表的结构及工作原理（上）
1 弹簧管压力表
1.1 弹簧管压力表的结构
虽然弹簧管压力表在准确度等级、直径大小及用途上各不相同，但它们的结构是基本相同的，如图1 所示。
通常弹簧管压力表的结构由压力表接头、弹簧管、齿轮传动机构、指示机构（3、4）和外壳五部分组成。下面分别介绍各部分的作用：
1）接头（支架板接头）（见图2）。
压力表接头（通常接头是带有支架板的，一般不说出来，正确的说法是支架板接头），它是压力表的骨架（相当于人体的骨架）。它有五个用途：一是
用接头螺纹与被测压力管路上的内螺纹相连接；二是弹簧管开口端焊接在接头上；三是齿轮传动机构的下夹板固定在接头的支架板（底板）上；四是表
壳固定在支架板上；五是对耐振压力表，可以固定表盘。
接头除尺寸大小不同外，还可按机芯的安装方向分为正装接头和反装接头。接头制造的材料通常有：黄铜、不锈钢。接头还可以按照压力的高低（大小）分为低压接头和中压接头及高压、超高压接头。接头的加工方法：传统的方法是翻砂铸造，近两年出现一种新方法，即红冲法加工接头，这种接头具有
强度高、机械加工尺寸精确、表面光洁等优点，深受压力表生产厂的欢迎。
2）弹簧管
弹簧管按形状通常分为C 形管、螺旋管、盘旋管。C 形管是一根弯成英文字母C 形圆弧形状、其横截面通常加工成椭圆形或扁平圆形（还有其他形状）
的空心管子，中心角r 一般为270℃，C 形弹簧管及其横截面如图3 所示。2a 为长轴，2b 为短轴，h 为壁厚。弹簧管开口一端焊接在接头上，另一端用封口片焊接封闭而成为自由端。
弹簧管是压力表的心脏，它必须具备弹性元件的弹性特性。
3）扇形齿轮传动机构（机芯）
扇形齿轮传动机构的结构（如图4 所示），它由中心轴齿轮（1）、扇形齿轮（5）、游丝（3）、上下夹板（4、2）、连杆（6）等零件组成。扇形齿轮传动机构的作用是通过连杆（6）将弹簧管自由端的微小位移进行传动和放大，并把弹簧管自由端的线位移转换成指针的旋转运动。
五、压力表的结构及工作原理（中）
2 膜片压力表
2.1 膜片压力表的结构
膜片压力表是指用金属波纹膜片作弹性敏感元件的压力表，其结构如图7 所示。
膜片压力表由下砝兰接头（7）、膜片（6）、传动机构（3）、指示机构（1、2）和外壳五部分组成。各组成部分的作用如下：
1）接头和膜片
下砝兰接头（7）与上砝兰（5）将膜片固定住，工作介质接触膜片后使膜片产生弹性变形，而不能进入压力表表头内，所以，膜片起到隔离工作介质的作用。
2）传动机构、指示机构、外壳的作用与弹簧管压力表相同，这里不再介绍。
2.2 膜片的种类、特性、材料
膜片分为平面膜片和波纹膜片两种。
平面膜片是一种有一定厚度的金属圆形薄片，由于平面膜片的压力- 位移特性具有非线性，而且位移量小，所以在一般压力表中不使用平面膜片。波纹膜片是一种在一定厚度的金属平面圆片上压延出有同心环状波纹的圆形薄片。膜片中央有一个小圆平面，其上焊有一个小柱（与连杆链接），此处只产生位移，不产生变形，通常称为硬芯或刚性中心。
波纹膜片上的波纹形状在横截面上看有正弦形、梯形、半圆形、锯齿形（三角形）等几种。
波纹膜片通常用黄铜、锡青铜、铍青铜、不锈钢等材料制造。
2.3 膜片压力表的用途及测量压力能力
膜片压力表主要用于测量有腐蚀性工作介质的表压力。
膜片压力表测量压力上限一般可到6MPa，膜片压力表准确度等级一般使用多为2.5 级。
2.4 膜片压力表的工作原理
膜片压力表的工作原理是：当被测量压力工作介质通过接头进入膜片腔后，作用于膜片下方，膜片随之发生变形，固定在膜片中央的小柱推动连杆带动传动机构，同时使指针转动，在刻有法定计量单位的分度盘上指示出被测量压力值。
3 隔膜压力表
3.1 隔膜压力表的结构
隔膜压力表是用隔离膜片将被测工作介质和传压介质相隔离的压力表。实际上，隔膜压力表是用隔膜装置和充有灌充液的一般压力表相组合而构成的一种压力表。其结构示意图 如8 所示。
隔膜压力表由指示部分（压力表部分）、隔膜装置（膜片、砝兰）、传压导管三部分组成。
用专用抽真空设备将压力表弹簧管内腔抽成真空，并充入灌充液，同时用隔离装置将其密封隔离。常用的灌充液为硅油、甘油、氟化油、植物油等。
六、压力表的结构及工作原理（下）
6 具有附加功能的压力表
带有附加功能的压力表, 目前可归纳为三种: 电接点压力表、电接点膜盒压力表和远传压力表。它们的共同特点是增加了压力表的使用功能, 扩大了压力表的使用范围。
6.1 电接点压力表
6.1.1 结构
电接点压力表是在一般弹簧管压力表内安装电接点装置而构成。目前电接点装置分为直接作用式和磁助式电接点装置两种形式。磁助式电接点装置的结构如图11 所示。
电接点压力表的总体结构，通常表现为：压力表指针（通常称为指示指针）上装有一根支柱电触头；电接点装置的接点已制成可转动、有电触头的限位指针（通常称设定针），电接点装置安装在压力表的接头上，电触头有电信号线引到外壳上的接线盒上；表玻璃中央装有可拨动设定针的旋钮。
6.1.2 工作原理
被测量压力介质作用于弹簧管后产生弹性变形，引起弹簧管管端位移，通过拉杆带动齿轮传动机构将管端位移进行放大，并带动指示指针在分度盘上指示出被测量的压力值。指示指针在转动时，其上的支柱电触头与设定好限位位置的设定指针上的触点相接触（断开或接通）的瞬间，电气线路接通控制系统，在设定压力处发出报警信号（指示灯或电铃），以达到对使用的设备进行需要的位式控制。
6.1.3 分类
1）按测量压力类别分为电接点压力表、电接点真空表和电接点压力真空表。
2）按工作原理分为直接作用式电接点压力表和磁助式电接点压力表。
3）按控制方式分为两位式电接点压力表（单限报警）和三位式电接点压力表（上下限报警）。
4）因工程需要而派生出的品种有防爆电接点压力表、防爆感应式接点压力表、耐振型电接点压力表、防蚀型电接点压力表和无触点电接点压力表。
6.2 电接点膜盒压力表
6.2.1 结构
电接点膜盒压力表的结构是在一般膜盒压力表内安装有电接点装置而构成。
6.2.2 工作原理
在被测量气体介质压力作用下，膜盒发生弹性变形，膜盒的自由端产生位移，由拉杆带动传动机构，指示指针在分度标尺（或分度盘）上指示出被测量
压力值。指示指针在转动时，其上的触点与设定好限位位置的设定指针上的触点相接触（断开或接通）的瞬间，电气线路接通控制系统，在设定压力处发出报警信号（指示灯或电铃），以达到对使用的设备
进行需要的位式控制。
6.2.3 分类
1）按测量压力类别分为电接点膜盒压力表、电接点膜盒真空表和电接点膜盒压力真空表。
2）按控制方式分为两位式电接点膜盒压力表（单限报警）和三位式电接点膜盒压力表（上下限报警）。
6.3 远传压力表
6.3.1 结构
远传压力表是在一般弹簧管压力表内安装有远传装置而构成。远传装置分为电位器式和差动变压器式两种类型。
远传压力表不仅能在测量点指示压力，还可将电信号传输给远距离的二次仪表进行压力指示或控制功能。
6.3.2 工作原理
远传压力表的工作原理如图12 所示。
（a）图，电位器式远传压力表的工作原理：被测量压力作用下，弹簧管产生弹性变形，引起弹簧管管端位移，通过齿轮传动机构带动指针在分度盘
上指示出被测量的压力值；与此同时，由弹簧管管端带动的电刷在扇形齿轮的电位器上滑动，由滑线电阻输出与指示压力相对应的电阻信号传到远离测
量点的二次仪表，实现远距离控制。
6.3.3 分类方法
7 专门用途的一般压力表
7.1 氧气压力表等的结构和工作原理
1）氧气、氢气、乙炔气及其他可燃性气体的压力表，按准确度等级分类, 属于一般压力表，所以，它们的结构和工作原理与一般压力表完全相同，这
里不再重复。
2）氧气压力表等气体压力表的分度盘上标有被测量介质的名称或测量介质的颜色警示标记。 采用颜色警示标记时，应在分度盘上的压力表名称下面
画一条横线，横线的颜色应符合表2 的规定。
3）氧气压力表表盘上名称下面除有天蓝色横线外，还应标有红色“禁油”二字。
7.2 带检验指针的压力表
又称留底压力表或记忆压力表。
7.2.1 结构
在一般压力表的指针轴上再安装一根可以转动的“检验指针”而构成，检验指针由调整轴、轴套、弹簧、外套组成。
7.2.2 工作原理
在被测量压力作用下，弹簧管产生弹性变形，引起弹簧管管端位移，通过拉杆带动传动机构将管端位移进行放大，同时带动指示指针和检验指针转动，在标有法定计量单位的分度盘上指出被测量压力值。当压力达到安全压力或特殊要求压力时压力突然卸载，指示指针迅速回到零位，检验指针留在原来位置指示压力。如继续使用压力表，应将检验指针拨回到零位再用。
7.2.3 用途
主要用于需要知道安全压力或特殊压力的生产过程中。例如，用于材料拉伸试验机上，在压力逐渐增加过程中，材料被拉断时，压力随即卸载，指示指针回到零位，检验指针则留在原位，这时就可以知道材料拉断时的压力是多少，而且工作人员可以不在试验现场。
7.3 双针双管压力表
7.3.1 结构
两只一般压力表安装在一个表壳内，具有两只压力接头，其特点是两根指针安装在同一根指针轴上，使用同一块分度盘。为便于识别，两只接头和两根指针上分别涂以两种颜色。外形如图13所示。
与一般压力表的工作原理相同。
7.3.3 用途
双针双管压力表，主要用在机车车辆上液压系统或储气缸内的两个相同压力或不相同压力的测量；也可以用于对铜合金及锡铅合金焊料无腐蚀性、无
凝固、非结晶的各种压力介质的压力测量。
7.4 抗震压力表
7.4.1 结构
按使用弹性元件的不同分为两种：一是用弹簧管作弹性敏感元件的抗震压力表，其结构与一般压力表的结构相同；二是用叉簧作弹性敏感元件的抗震压力表，其结构如图14 所示。它由螺纹接头、密封垫、膜片组、叉簧、传动机构和指示部分等组成。
抗震压力表表壳内通常灌充甘油或硅油作为工作介质。
7.4.2 工作原理
用弹簧管作弹性敏感元件的抗震压力表的工作原理与一般压力表的工作原理相同。
用叉簧作弹性敏感元件的抗震压力表的工作原理：被测量压力介质作用于护塞，通过阻尼器，利用毛细通道限制流体流速的原理，使脉动压力受到抑制，将脉动压力变成平稳压力，此压力作用于叉簧引起弹性变形而产生微量位移，借助连杆带动传动机构进行放大，同时使指针转动，在分度盘上指
示出被测量压力。
7.4.3 分类
分为有灌充液并带阻尼器和有灌充液不带阻尼
器的直接指示式抗震压力表。
7.4.4 带阻尼器抗震压力表的特殊要求
1）减幅比不大于0.5。
减幅比定义是抗震压力表指针实际指示压力变化幅度与输入压力变化幅度之比。
2）脉动误差不大于最大允许误差的2 倍。
脉动误差定义是抗震压力表实际指示压力变化范围中值与输入压力变化范围中值之比。
这两项特殊要求，在行业标准（JB/T 6804 －2005）中已规定为出厂检验项目，检验时，需要使用交变试验机设备。
7.5 轮胎压力表
7.5.1 结构
总体上分为两种形式，即指针式和标尺式，指针式轮胎压力表使用得比较多，其结构主要由进气阀、导气杆、具有弹簧管的压力表表头、气嘴头、回零机构等组成。标尺式轮胎压力表的结构主要由进气阀、柱塞、标尺、气嘴头、回零机构等组成。
7.5.2 工作原理
指针式轮胎压力表：被测量压力通过气嘴头作用于弹性敏感元件上，使其产生弹性变形，引起的位移通过传动机构放大并推动指针在分度盘上指示出被测量压力值。
标尺式轮胎压力表：被测量压力通过气嘴头作用于带有标尺的柱塞上，使其产生位移，并保持在一定的位置上，此时标尺指示出被测量的压力。
7.5.3 轮胎压力表 修订过的国家计量检定规程（JJG927-2013）已出版使用。
7.6 船用压力表
7.6.1 结构
船用压力表的结构与一般压力表的结构相同。
与一般压力表相比，具有三个特点：一是指针和分度盘上涂有永久性发光剂，以保证在暗室中可清晰读数；二是压力表要有抗盐雾能力、外壳要有防溅
防护能力；三是压力表能在偏离正常安装位置22°的摇摆时仍能正常工作。
7.6.2 工作原理
船用压力表的工作原理与一般压力表的工作原理相同。
7.6.3 船用压力表的质量管理
与一般压力表相比，除了应有“制造计量器具许可证”外，还要有“船用产品型式认可证书”。
7.7 记录式压力表
记录式压力表的结构和工作原理，请看第五讲中波纹管压力表的内容。
7.8 超高压力压力表
结构和工作原理与一般压力表相同。
超高压力压力表的特点是测量的压力高和表壳外径大。目前, 国内生产的超高压力压力表的压力测量范围分为0~400MPa、 0~600MPa 和0~1000MPa 三种规格，准确度等级一般为1.6 级，表壳外径尺寸为250mm。超高压力压力表的弹簧管用高强度钢材加工制造。
7.9 空盒气压表和空盒气压计
7.9.1 结构
空盒气压表和空盒气压计都是用于测量大气压力的仪器。空盒气压表是指针式结构，它的指针始终指示当时当地的大气压力，并附有测量温度的温度计，俗称“附温表”。空盒气压计是记录式结构，它的记录笔也是始终记录当时当地的大气压力，并附有自记钟。
空盒气压表一般分为：精密空盒气压表、普通空盒气压表和高原空盒气压表三种。
空盒气压计按记录周期分为：日记型和周记型两种。
7.9.2 工作原理
空盒气压表的工作原理: 利用金属膜盒在大气压力作用下产生弹性变形而引起位移，通过传动机构放大并带动指针转动，在分度盘上指示出当时当地的大气压力。
空盒气压计的工作原理: 利用金属膜盒（组）在大气压力作用下产生弹性变形而引起位移，通过传动机构放大并带动记录笔在转动的时间－气压坐标记录纸上记录当时当地的大气压力。
7.10 差压压力表
差压压力表通常可简称为差压表，主要用于测量两个相关压力的压力差，目前使用比较多的是微差压表，差压表依据选用不同的弹性敏感元件有不同的结构，本文介绍的是膜片式差压表。
7.10.1 膜片式差压压力表的结构
膜片式差压压力表的结构如图15 所示。它由测量膜片1、低压腔2、高压腔3、扭矩装置9、传动机构10、指示机构等组成，两个双向阀5 起超压保护作用，即当压力差超过允许值，双向阀就自动关闭，以防止差压表损坏。
7.10.2 膜片式差压压力表的工作原理
膜片式差压压力表的工作原理如图15 所示，它的测量系统由低压腔2、高压腔3、密封腔4 和测量膜片1 组成。图中左侧箭头代表被测量低压力进入端，图中右侧箭头代表被测量高压力进入端。当低压端和高压端同时进入不同压力后，测量膜片1 在压力差的作用下发生弹性变形而产生位移，这个位移通过连接杆6 上的横杆带动拨叉7 转动，由于拨叉7 和扭矩杆8 是一体的，通过扭矩装置9 将位移传递到传动机构10 上，传动机构将位移进行放大同时带动指示指针在标有法定计量单位的分度盘上指示出差压值。
七、精密压力表的检定(上)
1 检定依据
JJG2023-1989《压力计量器具》国家计量检定系统表和JJG49-2013《弹簧管式精密压力表和真空表》国家计量检定规程。
对于这两条依据，我同计量法上已有过精辟的阐述：“计量检定必须按照国家检定系统表进行，国家计量检定系统表由国务院计量行政部门制定。计量检定必须执行计量检定规程，国家计量检定规程由国务院计量行政部门制定。"因此，精密压力表的计量检定人员必须明白：检定规程是计量检定的依据(请注意:计量器具的校准依据是校准规范，不是检定规程;在没有校准规范条件下，可以"参考检定规程” )。
国际计量检定规程定义:由国家计量主管部门组织制定并批准颁布，在全国范围内施行，作为计量器具特性评定和法制管理的计量技术法规( JJF1001-2011 )。
国家检定系统表是从国家基准到各级计量标准再到工作计量器具的检定主从关系所制定的技术规范。只有执行国家检定系统表，才能把全国各地区、各部门、各企事业单位所使用的不同准确度等级、不同测量范围的计量器具，科学合理地组织起来，使测量结果在最大允许误差范围内达到量值准确一致。计量检定按照检定系统进行，不仅可确保计量器具的准确度，还可避免使用过高准确度的计量标准检定低准确度的计量标准， 同时还可以指导企业、事业单位实现量值传递和溯源工作。
国家计量检定规程的定义是:为评定计量器具特性、确定计量器具法定地位的技术规范。
精密压力表同家计量检定规程，在全国范围内施行，精密压力表计量检定人员执行计量检定规程是计量法赋予的职责， 是一种执法行为， 具有社会责任。
八、精密压力表的检定(下)
8 精密表检定中必须考虑的问题
8.1 安装位置形成液位差引起的附加压力及处理
为保证压力量值的准确， JJG49 - 2013 中提出:选用标准活塞式压力计检定上限值不大于0.6MPa的精密表时，应使精密表指针轴与活塞的下端面在同一水平面上。否则，对液位高度差(见图4) 引起的附加压力必须进行考虑，附加压力按下式计算:
例1 .选用准确度等级为0.05 级、测量范围为0.04~0.6MPa 的话塞式压力计检定准确度等级为0.4级、测量范围为0~0.6MPa的精密压力表，上海地区的重力加速度为9.7946 m/s^2 ， 精密压力表指针轴高于活塞下端而0.15m ， 工作介质密度为860kg/m^3,活塞有效面积Se 为1cm2 = 1 x 10-4m2。现读取精密压力表测量上限的压力值为0.5985MPa，并计算附加压力为
可见方法一和方法二的结果相同。