戴孝華/上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

第四講 壓力表的結(jié)構(gòu)及工作原理（上）

1 彈簧管壓力表

1.1 彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)

雖然彈簧管壓力表在準(zhǔn)確度等級(jí)、直徑大小及用途上各不相同，但它們的結(jié)構(gòu)是基本相同的，如圖1所示。

圖1 彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)示意圖

通常彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)由壓力表接頭、彈簧管、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、指示機(jī)構(gòu)（3、4）和外殼五部分組成。下面分別介紹各部分的作用：

1）接頭（支架板接頭）（見圖2）。

壓力表接頭（通常接頭是帶有支架板的，一般不說(shuō)出來(lái)，正確的說(shuō)法是支架板接頭），它是壓力表的骨架（相當(dāng)于人體的骨架）。它有五個(gè)用途：一是用接頭螺紋與被測(cè)壓力管路上的內(nèi)螺紋相連接；二是彈簧管開口端焊接在接頭上；三是齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的下夾板固定在接頭的支架板（底板）上；四是表殼固定在支架板上；五是對(duì)耐振壓力表，可以固定表盤。

接頭除尺寸大小不同外，還可按機(jī)芯的安裝方向分為正裝接頭和反裝接頭。接頭制造的材料通常有：黃銅、不銹鋼。接頭還可以按照壓力的高低（大?。┓譃榈蛪航宇^和中壓接頭及高壓、超高壓接頭。接頭的加工方法：傳統(tǒng)的方法是翻砂鑄造，近兩年出現(xiàn)一種新方法，即紅沖法加工接頭，這種接頭具有強(qiáng)度高、機(jī)械加工尺寸精確、表面光潔等優(yōu)點(diǎn)，深受壓力表生產(chǎn)廠的歡迎。

圖2 支架板接頭圖

2）彈簧管

彈簧管按形狀通常分為C 形管、螺旋管、盤旋管。C 形管是一根彎成英文字母C 形圓弧形狀、其橫截面通常加工成橢圓形或扁平圓形（還有其他形狀）的空心管子，中心角r 一般為270℃，C 形彈簧管及其橫截面如圖3所示。2a 為長(zhǎng)軸，2b 為短軸，h 為壁厚。彈簧管開口一端焊接在接頭上，另一端用封口片焊接封閉而成為自由端。

彈簧管是壓力表的心臟，它必須具備彈性元件的彈性特性。

3）扇形齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（機(jī)芯）

圖3 C 形彈簧管及其橫截面

扇形齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)（如圖4所示），它由中心軸齒輪（1）、扇形齒輪（5）、游絲（3）、上下夾板（4、2）、連桿（6）等零件組成。扇形齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是通過(guò)連桿（6）將彈簧管自由端的微小位移進(jìn)行傳動(dòng)和放大，并把彈簧管自由端的線位移轉(zhuǎn)換成指針的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖4 扇形齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

扇形齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，根據(jù)正、反方向安裝位置的不同，分為正裝機(jī)芯和反裝機(jī)芯兩種形式，其結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。扇形齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的重要技術(shù)參數(shù)是傳動(dòng)比，不同直徑的壓力表需要選擇不同傳動(dòng)比的扇形齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)比等于扇形齒輪的節(jié)圓直徑與中心軸齒輪節(jié)圓直徑之比，即Dj/dj；又可以用扇形齒輪的齒數(shù)ZD與中心軸齒輪齒數(shù)Zd之比來(lái)表示，即ZD/ Zd。

扇形齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)和放大調(diào)節(jié)原理如圖5所示。

圖5 扇形齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)和放大調(diào)節(jié)原理

當(dāng)壓力表承受壓力后，彈簧管自由端產(chǎn)生位移，扇形齒輪在連桿（AB）的拉動(dòng)下，轉(zhuǎn)動(dòng)角度α，在扇形齒輪直徑上的齒輪嚙合點(diǎn)（C）轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)（C C′）為 L=Rα，其中，R 為扇形齒輪的節(jié)圓半徑。

同理，在扇形齒輪尾槽與連桿連接點(diǎn)B 轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)（B B′）為 l=rα，其中，r 為扇形齒輪圓心O與連接點(diǎn)之間的距離。

兩式相除（L/l）得：

由式（1）可知，R 是固定不變的，可以改變r(jià)及l(fā)的大小來(lái)改變弧長(zhǎng)L的長(zhǎng)短，以控制指針偏轉(zhuǎn)角度，達(dá)到準(zhǔn)確調(diào)節(jié)示值誤差的目的。壓力表裝配時(shí)的示值誤差調(diào)試以及壓力表檢定時(shí)示值超差后的示值誤差調(diào)試，其原理就是由這個(gè)公式表達(dá)，因而該公式非常有用。

4）指示機(jī)構(gòu)

指示機(jī)構(gòu)由指針和分度盤組成，其作用是通過(guò)指針的偏轉(zhuǎn)在刻有法定計(jì)量單位的分度盤上指示出被測(cè)壓力的示值。指針的指示端應(yīng)覆蓋分度盤上最短分度線的1/3～2/3；精密壓力表的指針指示端為刀口形狀；分度盤上的標(biāo)志要齊全清晰。

5）表殼

表殼由襯圈、表面玻璃、壓圈、罩殼、固定螺釘?shù)攘慵M成，其作用是保護(hù)壓力表內(nèi)部零部件正常工作。表面玻璃應(yīng)透明，不應(yīng)有影響讀數(shù)的缺陷。

1.2 彈簧管（波登管）的工作原理

C 形彈簧管，是法國(guó)機(jī)械師波登（E.Bourdon）于1847年制造出來(lái)的，故又稱波登管。壓力表進(jìn)行壓力測(cè)量時(shí)，被測(cè)壓力工作介質(zhì)通過(guò)螺紋接頭進(jìn)入彈簧管內(nèi)腔，彈簧管在壓力作用下，橫截面由橢圓形向圓形變形的趨勢(shì)，從而，彈簧管略有伸展，彎曲度（即曲率）變小，彈簧管自由端產(chǎn)生位移，并在新的位置上處于平衡，對(duì)于新的平衡位置與未承受壓力時(shí)的位置相比，有了一個(gè)中心角的改變量Δγ，如圖6所示。

彈簧管的軸線通過(guò)O點(diǎn)并與圖平面垂直，橢圓橫截面的長(zhǎng)軸平行于彈簧管的軸線。有兩個(gè)假設(shè)條件：一是彈簧管受壓力后，彈簧管的短軸力圖增大，即橫截面由橢圓形向圓形變形的趨勢(shì)，二是彈簧管變形時(shí)，管子的長(zhǎng)度不變，即弧度AB 和長(zhǎng)度AB 保持不變。假定管子變形（伸展）前OA=R,OA′=r,∠AOB=γ（即中心角）；R′、r′、γ′為管子變形后各相應(yīng)的符號(hào)，根據(jù)第二個(gè)假設(shè)條件，可得如下關(guān)系：

圖6 彈簧管工作原理

式（2）與式（3）相減后得：

因?yàn)?（R -r）和 （R′ -r′）為變形前、后管子的短軸長(zhǎng)度之半，用b 和b′代替，則為

按照假設(shè)條件，b′＞ b，從式（5）又可以看出：γ′＜γ，因此，管子減少了彎曲度，即管子伸展了。又假設(shè)：

式中：Δb—為管子短軸長(zhǎng)度之半的增量；

Δγ—為中心角的減小量

將b′ γ′代入式（5）則得：

整理后為

因?yàn)?Δb 與b 相比較，通常是非常小的，式（7）可變?yōu)?/p>

由式（8）可知，管子中心角的改變量與管子短軸的增大和管子原有的中心角成正比，與短軸長(zhǎng)度成反比，從而說(shuō)明了管子的中心角越大和短軸越短，則管子靈敏度越高。

反之，管子承受負(fù)壓力（真空），管子的彎曲度就增加，因而管子就卷縮。

對(duì)于圓形截面的管子，受壓力后管子四周均勻膨脹，即Δb=0（無(wú)法體現(xiàn)短軸的變化），則Δγ=0 （中心角也無(wú)變化），因而，對(duì)壓力不起反應(yīng)，無(wú)法測(cè)量壓力。

1.3 彈簧管壓力表的工作原理

使用壓力表進(jìn)行壓力測(cè)量時(shí)，被測(cè)壓力工作介質(zhì)通過(guò)壓力表接頭進(jìn)入彈簧管內(nèi)腔，彈簧管在壓力作用下產(chǎn)生彈性變形引起自由端位移（對(duì)壓力表，彈簧管擴(kuò)展；對(duì)真空表，彈簧管收縮），其位移通過(guò)拉桿帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)將位移量進(jìn)行放大，同時(shí)帶動(dòng)中心軸齒輪上的指針轉(zhuǎn)動(dòng)，由指針在刻有法定計(jì)量單位的分度盤上指示出被測(cè)量的壓力的值。