一般壓力表示值變化規(guī)律硏究
在執(zhí)行一般壓力表國(guó)家監(jiān)督抽查任務(wù)過(guò)程中,用材料學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究了壓力表示值變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果 以及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,相對(duì)誤差連線以逆時(shí)針形成閉合回路，壓力表示值一般在反行程中間點(diǎn)達(dá)到最大值;超壓試驗(yàn)使 彈性元件產(chǎn)生了較大程度的殘余變形,一定時(shí)間的自然時(shí)效和抗運(yùn)輸環(huán)境試驗(yàn)使彈性元件殘余變形產(chǎn)生一定程度的 回復(fù);彈性元件材料的組織結(jié)構(gòu)以及退火工藝的不同導(dǎo)致不同樣本的壓力表彈性元件抗殘余變形能力差別很大。
一般壓力表是通過(guò)表內(nèi)的敏感元件（波登管、 膜盒、波紋管）的彈性形變來(lái)測(cè)量壓力，并由表 內(nèi)機(jī)芯的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將壓力形變傳導(dǎo)至指針，引起 指針轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)顯示壓力。一般壓力表廣泛應(yīng)用于各 類(lèi)工業(yè)流程和科研領(lǐng)域，尤其在工業(yè)過(guò)程控制與 測(cè)量過(guò)程中，由于一般壓力表的彈性敏感元件具 有很高的機(jī)械強(qiáng)度及使用方便等特點(diǎn)，使其得到 越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。筆者在執(zhí)行國(guó)家質(zhì)檢總局下 達(dá)的《一般壓力表產(chǎn)品質(zhì)量國(guó)家監(jiān)督抽查方案》 (以下簡(jiǎn)稱國(guó)抽）任務(wù)過(guò)程中，對(duì)一般壓力表示值 變化規(guī)律影響因素進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究，采用了三 種基本試驗(yàn)方法（基本誤差試驗(yàn)、超壓試驗(yàn)和抗 運(yùn)輸環(huán)境試驗(yàn)），從材料學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)角度對(duì)影響壓 力表符合性判定的影響因素進(jìn)行探討，為壓力表 計(jì)量特性研究提供了理論及實(shí)踐參考。
1.試驗(yàn)依據(jù)和研究方法
1.1試驗(yàn)依據(jù)
依據(jù)國(guó)抽方案以及國(guó)抽方案引用的一般壓力 表國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家檢定規(guī)程：①《一般壓力表產(chǎn) 品質(zhì)量國(guó)家監(jiān)督抽查方案》。②GB/T 1226—2010 一般壓力表⑴。③JJG 52—2013彈性元件式一般 壓力表、壓力真空表和真空表。
1.2研究方法
選取有代表性的10家企業(yè)的一般壓力表為樣 本，其中每家企業(yè)有3塊相同型號(hào)規(guī)格的壓力表。
(1)基本誤差試驗(yàn)：主要檢驗(yàn)示值誤差、回 程誤差和輕敲位移。試驗(yàn)方法依據(jù)JJG 52—2013第5. 3. 3條款。
（2）超壓試驗(yàn)：以壓力上限值的125%承受超 壓試驗(yàn)，歷時(shí)30 min。卸掉負(fù)荷后在30 min內(nèi)按 步驟(1)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方法依據(jù)GB/T 1226— 2010第6. 11條款。
（3）抗運(yùn)輸環(huán)境試驗(yàn)：儀表在包裝完好的情 況下，先按JB/T 9329—1999第4. 4的要求進(jìn)行碰 撞試驗(yàn)，再按4. 5. 1的要求進(jìn)行跌落試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié) 束后按步驟（1)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方法依據(jù)GB/T 1226—2010 第 6. 16 條款。
1.3標(biāo)準(zhǔn)器
量傳標(biāo)準(zhǔn)器采用0. 05級(jí)活塞式壓力計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝 置，其準(zhǔn)確度等級(jí)符合量傳要求且可溯源至國(guó)家 基準(zhǔn)。
2.基本誤差試驗(yàn)指針的變化規(guī)律
基本誤差試驗(yàn)考查被檢樣品計(jì)量特性是否能 滿足基本的使用要求，由于樣本中的壓力表測(cè)量 范圍不盡相同，為比較不同量程壓力表的示值誤 差，引人“相對(duì)誤差”的概念，即被檢點(diǎn)示值誤 差占最大允許誤差絕對(duì)值的百分比，如式（1)所 示，反映了示值誤差與最大允許誤差的接近程度。
H, = (P； -Psi)/MPEVx 100% (1) 式中：盡為某測(cè)量點(diǎn)的相對(duì)誤差；P,為示值； 為標(biāo)準(zhǔn)值；為最大允許誤差絕對(duì)值。
試驗(yàn)中在3個(gè)不同量程中分別選取1個(gè)樣本， 每個(gè)樣本3個(gè)相同型號(hào)規(guī)格壓力表，按照檢測(cè)點(diǎn) 的順序，做相對(duì)誤差連線圖，如圖1所示。
由圖1可得：
（1）相對(duì)誤差的連線以逆時(shí)針形成閉合回 路，連線無(wú)交叉，同一測(cè)量點(diǎn)反行程相對(duì)誤差恒 大于或等于正行程相對(duì)誤差，說(shuō)明其反行程示值 恒大于或等于正行程示值。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主 要原因是彈性元件的殘余變形按照方案要 求，做基本誤差試驗(yàn)的壓力表在測(cè)量上限耐壓 3min后，短時(shí)間內(nèi)彈性元件難以完全回復(fù)，產(chǎn) 生一定的彈性滯后（彈性后效和彈性遲滯的疊 加）o
（2）正、反行程示值在量程中間區(qū)域達(dá)到最 大值，反行程的示值最大值為壓力表最大示值。 反行程是壓力表在測(cè)量上限耐壓一定的時(shí)間（此 時(shí)彈性元件達(dá)到正行程的最大變形量）后逐漸泄 壓的過(guò)程，該過(guò)程中影響彈性元件殘余變形的因 素主要泄壓時(shí)間和形變差。泄壓時(shí)間指的是耐壓 完成至回程某檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)間間隔。形變差指的是 耐壓完成時(shí)的彈性元件形變量與回程某檢測(cè)點(diǎn)的 形變量的差值。泄壓時(shí)間越長(zhǎng)，則殘余變形越少， 示值??；形變差越大，則殘余變形越大，示值大。 在泄壓的前期，形變差起主要作用；而在泄壓后 期，泄壓時(shí)間起主要作用，兩者交互作用結(jié)果導(dǎo) 致殘余變形在壓力中間區(qū)域達(dá)到最大值，故示值 在反行程中間區(qū)域出現(xiàn)最大值。
壓力表在零點(diǎn)正最大允許誤差處有止銷(xiāo)的存 在，零點(diǎn)示值誤差如果不超過(guò)最大允許誤差，指 針始終緊靠止銷(xiāo)，無(wú)法判定零點(diǎn)示值的真實(shí)值， 因此在下文計(jì)算中不考慮零點(diǎn)的示值。
3.不同試驗(yàn)方法的相對(duì)誤差絕對(duì)值比較
由于“相對(duì)示值誤差”已經(jīng)不能定義示值與 標(biāo)準(zhǔn)值偏離程度，因此引入“相對(duì)誤差絕對(duì)值” 的概念，即正、反行程中，各測(cè)量點(diǎn)示值誤差絕 對(duì)值的平均值與最大允許誤差絕對(duì)值之比。也就是說(shuō)，就示值和標(biāo)準(zhǔn)值的偏離程度而言，正偏差 和負(fù)偏差都同等對(duì)待，目P:
w - (f4\pi-pj + i ip； -p,i)/ i=2 i=2
[2(n-l)MPEV] xlOO% (2)
式中：見(jiàn)為相對(duì)誤差絕對(duì)值；P,為正行程示值; P;為反行程示值；為標(biāo)準(zhǔn)值；MPEV為最大允 許誤差絕對(duì)值。
各樣本的相對(duì)誤差絕對(duì)值如表1所示。
從表1可以看出：
（1）總平均值一行中，超壓試驗(yàn)后，全部樣 本的相對(duì)誤差絕對(duì)值(33. 36%)超過(guò)首次試驗(yàn)誤 差（21.21%)的50%，說(shuō)明超壓試驗(yàn)明顯使壓力 表示值偏離標(biāo)準(zhǔn)值，在30 min內(nèi)保持壓力表上限 1. 25倍的壓力值使得彈性元件產(chǎn)生了較大的殘余 變形，增大示值誤差。壓力表的測(cè)量上限是由彈 性元件的彈性極限再除以一個(gè)安全系數(shù)得出，一 般安全系數(shù)的取值在1. 5 ~ 2范圍，如果安全系 數(shù)太小’超壓試驗(yàn)中使用的壓力值很可能達(dá)到甚 至超過(guò)了彈性極限，導(dǎo)致塑性變形的產(chǎn)生，從而 導(dǎo)致較大的示值誤差?？惯\(yùn)輸環(huán)境試驗(yàn)后相對(duì)誤 差絕對(duì)值略小于超壓試驗(yàn)誤差值，說(shuō)明經(jīng)過(guò)自然 時(shí)效及抗運(yùn)輸環(huán)境試驗(yàn)后彈性元件殘余變形產(chǎn)生 一定程度的回復(fù)。
（2）相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差反映了各次試驗(yàn)中樣本相 對(duì)誤差絕對(duì)值的分散程度，可以看出，基本誤差試驗(yàn)和抗運(yùn)輸環(huán)境試驗(yàn)的值很接近，而超壓試驗(yàn) 超出基本誤差試驗(yàn)和抗運(yùn)輸環(huán)境試驗(yàn)約1/3,說(shuō)明 超壓實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)了樣本相對(duì)誤差絕對(duì)值的分散性, 從而能夠反映出各樣本壓力表的抗超壓性能，結(jié) 果表明各樣本所用的彈性元件抗超壓性能差別 較大。
壓力表彈性元件的材料選取一般有以下幾種： 錫磷青銅、鈹青銅、高強(qiáng)度、高彈性合金鋼等， 各樣本材料的選取以及加工方法的不同導(dǎo)致不同 樣本的彈性元件具有不同的組織結(jié)構(gòu)，從而抗 超壓性能表現(xiàn)出較大的差異性。
比如在彈性元件中使用廣泛的QBe2鈹青銅在 0#效時(shí)，未進(jìn)行合理的攪拌，造成硝鹽槽爐溫不 均引起彈性元件局部出現(xiàn)過(guò)時(shí)效組織，過(guò)時(shí)效后y 相沿晶界聚集球化，呈網(wǎng)狀，破壞了基體的連 續(xù)性，導(dǎo)致彈性元件在加壓過(guò)程中產(chǎn)生較大的殘 余變形，甚至引發(fā)斷裂。
因此，需要對(duì)鈹青銅進(jìn)行低溫形變熱處理， 即合金在淬火后進(jìn)行塑性變形，然后再進(jìn)行時(shí) 效。鈹青銅經(jīng)過(guò)低溫形變熱處理，與一般固溶 時(shí)效比較，能大大提高合金的彈性極限，還能抑 制合金的晶界反應(yīng)和降低合金的彈性后效及彈性 遲滯。這是因?yàn)榇慊鸺皶r(shí)效之間的冷塑性變形工 序提高了 y'及yn的彌散度及分布的均勻性，以及 細(xì)化了亞晶粒并使晶界反應(yīng)受到抑制。還可以采 用真空雙級(jí)時(shí)效工藝w來(lái)提高中間相的彌散均勻 分布程度和析出比例，使得雙級(jí)時(shí)效后的晶界位 置析出相尺寸變大和析出比例增加，從而提高 QBe2鈹青銅的材料強(qiáng)度，減少?gòu)椥詼蟆?
4.不同試驗(yàn)方法的相對(duì)回程誤差比較
回程誤差反映了彈性元件的抗殘余變形的 能力，相應(yīng)地引人了 “相對(duì)回程誤差”的概念， 正、反行程中，各測(cè)量點(diǎn)回程誤差值的平均值 與最大允許誤差絕對(duì)值之比值，用百分?jǐn)?shù)表 示，艮P:
R
V = ^ |P. _ P'.\)/[{n -l)MPEV] x 100%
i=2 1 1
(3)
式中：F為相對(duì)回程誤差；盡為正行程示值；P; 為反行程示值；為最大允許誤差絕對(duì)值。
相對(duì)回程誤差試驗(yàn)數(shù)值如表2所示。
從表2可以看出：
（1）總平均值一行中，超壓試驗(yàn)的相對(duì)回 程誤差明顯小于另外兩次試驗(yàn)。原因是超壓試 驗(yàn)已經(jīng)造成了彈性元件很大殘余變形，隨之進(jìn) 行的示值試驗(yàn)已經(jīng)不能產(chǎn)生額外的殘余變形， 因此超壓試驗(yàn)后的回程誤差明顯小于另外兩次 試驗(yàn)。
（2）抗運(yùn)輸環(huán)境試驗(yàn)的相對(duì)回程誤差值明顯 大于超壓試驗(yàn)值而略小于基本誤差試驗(yàn)值。說(shuō)明 在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的自然時(shí)效及抗運(yùn)輸環(huán)境試驗(yàn)后， 彈性元件得到一定程度的回復(fù)，因此進(jìn)行示值試 驗(yàn)時(shí)能夠產(chǎn)生一定程度的殘余變形，導(dǎo)致回程誤 差增大。
5.相對(duì)示值變化率
為研究相鄰兩次試驗(yàn)示值的變化規(guī)律，引入 了相對(duì)示值變化率的概念，即相鄰兩次試驗(yàn)，正、 反行程中壓力表同一點(diǎn)示值變化平均值與最大允 許誤差之比，用百分?jǐn)?shù)表示，反映相鄰兩次試驗(yàn) 同一點(diǎn)示值的變化情況。
Rr.超壓試驗(yàn)相對(duì)示值變化率，反映了超壓 試驗(yàn)示值與基本誤差試驗(yàn)示值的差別。
R2：抗運(yùn)輸環(huán)境試驗(yàn)相對(duì)示值變化率，反映 了抗運(yùn)輸環(huán)境試驗(yàn)示值與超壓試驗(yàn)示值的差別。
計(jì)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為相對(duì)示值變化率試驗(yàn)數(shù)值，由總平均 值（無(wú)?)數(shù)據(jù)可得，超壓試驗(yàn)對(duì)示值變動(dòng)率的影 響很大，超過(guò)了 30%。再次驗(yàn)證了之前得出的 “超壓試驗(yàn)使彈性元件產(chǎn)生了較大程度的殘余變 形”的結(jié)論，而抗運(yùn)輸試驗(yàn)后的相對(duì)示值變化率 中，有2個(gè)樣本為正數(shù)，其他8個(gè)樣本皆為負(fù)數(shù), 平均值為負(fù)，也從另一個(gè)方面證明了 “一定時(shí)間 的自然時(shí)效和抗運(yùn)輸環(huán)境試驗(yàn)使彈性元件殘余變 形產(chǎn)生了一定程度的回復(fù)”的結(jié)論。
6.結(jié)論
（1）基本誤差試驗(yàn)相對(duì)誤差的連線以逆時(shí)針 形成閉合回路，連線無(wú)交疊，相同測(cè)量點(diǎn)反行程 示值恒大于或等于正行程示值。正、反行程示值 在量程中間區(qū)域達(dá)到最大值，反行程的示值最大 值為壓力表最大示值。
（2）“相對(duì)誤差絕對(duì)值”以及“相對(duì)示值變 化率”計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：超壓試驗(yàn)使彈 性元件產(chǎn)生了較大程度的殘余變形，而一定時(shí)間 的自然時(shí)效后以及抗運(yùn)輸試驗(yàn)后，彈性元件殘余 變形產(chǎn)生了一定程度的回復(fù)。
（3）超壓試驗(yàn)的相對(duì)回程誤差明顯小于另外 兩次試驗(yàn)。原因在于超壓試驗(yàn)后進(jìn)行的示值誤差 試驗(yàn)中，壓力表在壓力最大值耐壓3 min對(duì)彈性元 件殘余變形的貢獻(xiàn)很小。而經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的自然 時(shí)效和抗運(yùn)輸環(huán)境試驗(yàn)后，彈性元件得到一定程度的回復(fù)，耐壓3 min對(duì)彈性元件的殘余變形貢獻(xiàn)增 大，導(dǎo)致回程誤差增大。
(4)各樣本企業(yè)中壓力表彈性元件抗殘余變 形能力差別很大，表現(xiàn)為相對(duì)誤差絕對(duì)值的相對(duì) 標(biāo)準(zhǔn)差，超壓試驗(yàn)值超出另外兩次試驗(yàn)值約1/3。
