压力表计量基础知识讲座

戴孝华/上海市计量测试技术研究院

第四讲 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。

图1 弹簧管压力表的结构示意图

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。

图2 支架板接头图

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）

图3 C 形弹簧管及其横截面

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。

图4 扇形齿轮传动机构的结构

扇形齿轮传动机构，根据正、反方向安装位置的不同，分为正装机芯和反装机芯两种形式，其结构和工作原理基本相同。扇形齿轮传动机构的重要技术参数是传动比，不同直径的压力表需要选择不同传动比的扇形齿轮传动机构。传动比等于扇形齿轮的节圆直径与中心轴齿轮节圆直径之比，即Dj/dj；又可以用扇形齿轮的齿数ZD与中心轴齿轮齿数Zd之比来表示，即ZD/ Zd。

扇形齿轮传动机构传动和放大调节原理如图5所示。

图5 扇形齿轮传动机构传动和放大调节原理

当压力表承受压力后，弹簧管自由端产生位移，扇形齿轮在连杆（AB）的拉动下，转动角度α，在扇形齿轮直径上的齿轮啮合点（C）转过的弧长（C C′）为 L=Rα，其中，R 为扇形齿轮的节圆半径。

同理，在扇形齿轮尾槽与连杆连接点B 转过的弧长（B B′）为 l=rα，其中，r 为扇形齿轮圆心O与连接点之间的距离。

两式相除（L/l）得：

由式（1）可知，R 是固定不变的，可以改变r及l的大小来改变弧长L的长短，以控制指针偏转角度，达到准确调节示值误差的目的。压力表装配时的示值误差调试以及压力表检定时示值超差后的示值误差调试，其原理就是由这个公式表达，因而该公式非常有用。

4）指示机构

指示机构由指针和分度盘组成，其作用是通过指针的偏转在刻有法定计量单位的分度盘上指示出被测压力的示值。指针的指示端应覆盖分度盘上最短分度线的1/3～2/3；精密压力表的指针指示端为刀口形状；分度盘上的标志要齐全清晰。

5）表壳

表壳由衬圈、表面玻璃、压圈、罩壳、固定螺钉等零件组成，其作用是保护压力表内部零部件正常工作。表面玻璃应透明，不应有影响读数的缺陷。

1.2 弹簧管（波登管）的工作原理

C 形弹簧管，是法国机械师波登（E.Bourdon）于1847年制造出来的，故又称波登管。压力表进行压力测量时，被测压力工作介质通过螺纹接头进入弹簧管内腔，弹簧管在压力作用下，横截面由椭圆形向圆形变形的趋势，从而，弹簧管略有伸展，弯曲度（即曲率）变小，弹簧管自由端产生位移，并在新的位置上处于平衡，对于新的平衡位置与未承受压力时的位置相比，有了一个中心角的改变量Δγ，如图6所示。

弹簧管的轴线通过O点并与图平面垂直，椭圆横截面的长轴平行于弹簧管的轴线。有两个假设条件：一是弹簧管受压力后，弹簧管的短轴力图增大，即横截面由椭圆形向圆形变形的趋势，二是弹簧管变形时，管子的长度不变，即弧度AB 和长度AB 保持不变。假定管子变形（伸展）前OA=R,OA′=r,∠AOB=γ（即中心角）；R′、r′、γ′为管子变形后各相应的符号，根据第二个假设条件，可得如下关系：

图6 弹簧管工作原理

式（2）与式（3）相减后得：

因为 （R -r）和 （R′ -r′）为变形前、后管子的短轴长度之半，用b 和b′代替，则为

按照假设条件，b′＞ b，从式（5）又可以看出：γ′＜γ，因此，管子减少了弯曲度，即管子伸展了。又假设：

式中：Δb—为管子短轴长度之半的增量；

Δγ—为中心角的减小量

将b′ γ′代入式（5）则得：

整理后为

因为 Δb 与b 相比较，通常是非常小的，式（7）可变为

由式（8）可知，管子中心角的改变量与管子短轴的增大和管子原有的中心角成正比，与短轴长度成反比，从而说明了管子的中心角越大和短轴越短，则管子灵敏度越高。

反之，管子承受负压力（真空），管子的弯曲度就增加，因而管子就卷缩。

对于圆形截面的管子，受压力后管子四周均匀膨胀，即Δb=0（无法体现短轴的变化），则Δγ=0 （中心角也无变化），因而，对压力不起反应，无法测量压力。

1.3 弹簧管压力表的工作原理

使用压力表进行压力测量时，被测压力工作介质通过压力表接头进入弹簧管内腔，弹簧管在压力作用下产生弹性变形引起自由端位移（对压力表，弹簧管扩展；对真空表，弹簧管收缩），其位移通过拉杆带动齿轮传动机构转动将位移量进行放大，同时带动中心轴齿轮上的指针转动，由指针在刻有法定计量单位的分度盘上指示出被测量的压力的值。