精密壓力表誤差分析
精密壓力表是目前應(yīng)用較多的一種壓力標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量?jī)x表，使用過(guò)程中需要對(duì)其進(jìn)行誤差分析。本文在分析了常用精密壓力 表測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，總結(jié)了精密壓力表的幾種常見(jiàn)誤差形式，包括儀器設(shè)備誤差、人為誤差、環(huán)境誤差、測(cè)量誤差等，并對(duì)其進(jìn)行了 合成不確定度計(jì)算，總結(jié)了其誤差來(lái)源與應(yīng)對(duì)措施，以供同仁參考.
0.引言
精密壓力表即通常在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的一種計(jì)量?jī)x 器，由于工業(yè)生產(chǎn)的高精度要求越來(lái)越嚴(yán)格,各種計(jì)量?jī)x 器也逐漸向更加精準(zhǔn)精確的趨勢(shì)發(fā)展。然而,盡管各種精 密儀器在不斷的升級(jí)優(yōu)化,誤差卻始終是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域不 可避免的一個(gè)問(wèn)題,無(wú)論誤差的大小，只要誤差存在就必 然會(huì)對(duì)最終的測(cè)量結(jié)果造成相應(yīng)影響。因此,本文對(duì)精密 壓力表的幾種誤差形式與應(yīng)對(duì)策略等進(jìn)行分析,對(duì)于曰后 對(duì)精密壓力表的研制與使用都將帶來(lái)益處。
1.精密壓力表測(cè)量原理
常用精密壓力表構(gòu)造如圖1所示。
從圖1中可以看出，該精密壓力表內(nèi)配置了一個(gè)橢圓 形狀的彈簧管,并將其一端固定,另一端連接到杠桿,同時(shí) 將指針在齒輪上固定,扇形齒板通過(guò)支點(diǎn)與杠桿連接。在 進(jìn)行實(shí)際壓力測(cè)量時(shí),其工作原理為：彈簧管因受壓力增 大影響而發(fā)生變形,并逐漸加大延伸力度，當(dāng)壓力值達(dá)到 某一標(biāo)準(zhǔn)后，另一端的杠桿便會(huì)與齒輪之間形成一種作用 力，進(jìn)而帶動(dòng)齒輪與指針之間形成一種作用力，最終帶動(dòng) 指針運(yùn)動(dòng),并顯示被測(cè)物體壓力值。結(jié)束測(cè)量后,壓力逐漸 減小,彈簧管恢復(fù)初始的橢圓狀,指針恢復(fù)到零位。在進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，一般會(huì)同時(shí)使用精密壓力表與壓力校驗(yàn)儀 器，以最大限度的保障壓力測(cè)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與精確度。
2.精密壓力表常見(jiàn)誤差形式
2.1儀器設(shè)備誤差
儀器設(shè)備誤差的形成多源自于其本身精度不夠,進(jìn)而 形成測(cè)量結(jié)果與實(shí)際壓力值之間的相應(yīng)偏差。在進(jìn)行實(shí)際 測(cè)量時(shí),一般是需要通過(guò)精密壓力表首先對(duì)普通壓力表進(jìn) 行測(cè)試的，從而在適當(dāng)調(diào)整的基礎(chǔ)上防止測(cè)量時(shí)的誤差， 盡可能的提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性與精度。但是,有時(shí)也會(huì) 出現(xiàn)未經(jīng)過(guò)調(diào)整而直接測(cè)量的情況，最終導(dǎo)致誤差的出 現(xiàn)。結(jié)合具體實(shí)踐來(lái)看,設(shè)備儀器誤差應(yīng)主要包括以下兩 方面的內(nèi)容。
第極限誤差。上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器的極限誤差對(duì)儀器設(shè)備 準(zhǔn)確性的影響是最大的,通常我們都是通過(guò)二等標(biāo)準(zhǔn)活塞 式壓力計(jì)實(shí)現(xiàn)壓力表量值傳遞的，其極限誤差為0.05%。 若用8〗表示該項(xiàng)誤差，則有各在0.05%,也就是說(shuō)控制其 誤差不超過(guò)0.05%就屬于正常，若超過(guò)0.05%則高于極限 誤差值,會(huì)在一定程度上影響測(cè)量精度.
第二,基本誤差。利用精密壓力表測(cè)量普通壓力表時(shí)， 通常會(huì)導(dǎo)致三種形式的誤差，即示值誤差、回程誤差和輕 敲位移。首先,示值誤差指的是壓力表顯示壓力值與被測(cè) 物體實(shí)際壓力值之間的偏差，它會(huì)間接造成示值計(jì)算過(guò)程 中的誤差，最終不能得到客觀準(zhǔn)確的測(cè)量值。若用S21來(lái)表 示示值誤差，用△表示基本誤差中所設(shè)定的允許誤差的 絕對(duì)值范圍，則示值誤差公式可寫作：|S21 I處。其次，回 程誤差是指在相同條件下,被測(cè)量值不變，計(jì)量器具行程 方向不同其示值之差的絕對(duì)值,也稱作滯后誤差，若用s22 表示基本誤差在回程期間所引起的誤差值，用△表示的 壓力表所允許的誤差的絕對(duì)值范圍，則有回程誤差公式： |§22 I在A。最后，輕敲位移即工作人員用手指輕巧壓力表 外殼時(shí)儀表產(chǎn)生的示值或變動(dòng)量,若用823表示該誤差值， 用△來(lái)表示壓力表所允許的誤差絕對(duì)值范圍，則有輕敲 位移誤差公式：| 823 I在A/2。
2.2 人為誤差
精密壓力表的人為誤差指的是人為因素造車的壓力 表讀數(shù)誤差,該誤差通常以分度值的1/10估算。0.4級(jí)壓 力表最少分格數(shù)為80倍，對(duì)應(yīng)的誤差公式為：|英0.125%。人為因素造成的測(cè)量誤差是很常見(jiàn)的，它是各種 外界因素造成測(cè)量誤差占比重最大的一項(xiàng)因素?？傮w來(lái) 講，導(dǎo)致人為誤差的因素包括誤讀、誤視與誤算三種，其 中，前兩種通常出現(xiàn)在測(cè)量過(guò)程中，由于測(cè)量的數(shù)值很小 或者是處于十分密集的地方,所以很容易出現(xiàn)誤讀、誤視 情況。而誤算通常出現(xiàn)在最后計(jì)算時(shí)，由于需要計(jì)算的數(shù) 字過(guò)大或過(guò)小等因素,導(dǎo)致誤算情況的出現(xiàn)。人為誤差不 僅是最為普遍的一種精密壓力表誤差形式,同時(shí)也是造成 誤差最大或者是后果最嚴(yán)重的一種誤差形式。
2.3環(huán)境誤差
顧名思義,環(huán)境誤差即是由于環(huán)境問(wèn)題所造成的測(cè)量 誤差，通過(guò)發(fā)生在測(cè)量過(guò)程中，由于環(huán)境或是場(chǎng)地差異而 與準(zhǔn)確結(jié)果存在一定偏差。環(huán)境誤差主要表現(xiàn)為兩種常見(jiàn) 形式,一是隨機(jī)誤差，二是熱變形誤差。前者發(fā)生的幾率較 小,一般是偶然性的，不存在特定的造成結(jié)果出現(xiàn)誤差的 條件,后者主要是與溫度密切相關(guān)，因?yàn)閺椥栽膹椥?/span> 系數(shù)與溫度之間存在著密切關(guān)系，當(dāng)壓力表的使用溫度與 檢定溫度之間存在差異時(shí),便會(huì)形成溫度附加誤差，一般 在使用溫度為20±5°C,其溫度系數(shù)應(yīng)在0.04%/°C以上，其 最大溫度附加誤差公式為：|S4 |砭0.2%,該項(xiàng)誤差的修正 十分困難。
2.4測(cè)量誤差
測(cè)量誤差也是造成精密壓力表誤差的重要因素，它主 要是指由于計(jì)量?jī)x器的擺放不當(dāng)或防止方式不合理等導(dǎo) 致的誤差，如測(cè)量過(guò)程中未將測(cè)量?jī)x器放置在平坦的表 面，而是放置在了凹凸不平的地方，或者是儀器放置角度 不合理等。測(cè)量誤差還包括很多小的分類,較為普遍存在 的主要有余弦誤差、阿貝誤差等。實(shí)際上,測(cè)量誤差是可以 通過(guò)正確的安裝和使用來(lái)消除的,所以一般情況下我們將 該種誤差忽略不計(jì)知=()。
3.合成不確定度的計(jì)算
以0.4級(jí)的精密壓力表為例，由上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器引起的不 確定度^=0.05% (k=3 ；由基本誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定 度：U2=0.4% (k=3)油人為誤差引起的不確定度：U3=0.12% (k=3)油環(huán)境溫度引起的不確定度：Lf0.2% (k=3),此四
項(xiàng)的不確定度分量是相互獨(dú)立的,所以，其合成不確定度
2 2 2 2~
Uj +U2+U3+U4 =0.47% (k=3)。
但是，基本誤差中的示值誤差、來(lái)回差和輕敲位移三 個(gè)參數(shù)是相關(guān)的，因此不能用均方根法直接計(jì)算合成不確 定度,而必須綜合考慮三個(gè)量。本文分別討論了三種最不 利情況下三項(xiàng)誤差對(duì)總不確定的影響。
①示值誤差達(dá)到最大正值，來(lái)回差為最大值時(shí),若輕 敲位移也取最大值,在回程時(shí)輕敲位移只允許從下往上移 動(dòng)。此時(shí)壓力表示值的誤差分布范圍為-A/2~A,不確定度 為 0.75A。
②示值誤差達(dá)到最大負(fù)值，來(lái)回差為最大值時(shí),若輕 敲位移也取最大值,在正行程時(shí)輕敲位移只允許從上往下 移動(dòng)。此時(shí)壓力表示值誤差的分布范圍為-A~A/2,不確定 度為0.75A。
③示值誤差在行程時(shí)為-A/2,在反行程時(shí)為A/2,來(lái) 回差為最大值，此時(shí)輕敲位移可以在任意方向達(dá)到最大 值,壓力表示值的誤差分布范圍為-A~A,不確定度為△ 由此可以得到：此三項(xiàng)誤差綜合作用下精密壓力表的不確 定度不大于△置信因子為3。
綜上，對(duì)于0.4級(jí)的精密壓力表,在20±5°C條件下使 用時(shí),其不確定度為0.47% (k=3)。
4.精密壓力表誤差來(lái)源與應(yīng)對(duì)措施
精密壓力表能否在實(shí)際使用中保證其較高的準(zhǔn)確性 與精確度,是目前工業(yè)領(lǐng)域較為關(guān)注的話題。而壓力表在 測(cè)量時(shí)所表現(xiàn)出的各種誤差大多數(shù)與壓力表的指示不準(zhǔn) 確密切相關(guān),基于該思路及上述對(duì)精密壓力表幾種誤差形 式的分析,筆者總結(jié)了以下四點(diǎn)精密壓力表誤差來(lái)源及應(yīng) 對(duì)措施。
4.1外力因素及應(yīng)對(duì)
精密壓力表由于受到外部環(huán)境因素會(huì)出現(xiàn)指示不準(zhǔn) 確的現(xiàn)象,如測(cè)量環(huán)境、溫度的變化及荷載過(guò)重等因素,都 可能導(dǎo)致壓力表指示錯(cuò)誤。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，壓力表外 部溫度過(guò)高或負(fù)荷過(guò)重時(shí)，彈簧管便可能出現(xiàn)嚴(yán)重變形， 以至于不能在外部溫度降低或負(fù)荷減輕時(shí)恢復(fù)到最初的 橢圓狀，其彈性明顯變差，最終不能正確顯示測(cè)量物體的 壓力值。針對(duì)于此,本文認(rèn)為應(yīng)科學(xué)合理地控制壓力表的 使用環(huán)境,盡量防止壓力表處于高溫、冷凍或震蕩的環(huán)境 中，避免壓力表承受過(guò)重負(fù)載,從而保障其測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn) 確性。
4.2指針不在零位
當(dāng)壓力表指針不在零位時(shí),壓力表的測(cè)量結(jié)果也會(huì)顯 示不準(zhǔn)確,而導(dǎo)致指針無(wú)法恢復(fù)零位的因素主要包括彈簧 元件彈性變差，彈簧元件脫落而無(wú)法自動(dòng)回彈，以及指針 彎曲變形、壓力表內(nèi)部運(yùn)行不暢等。針對(duì)于此,需要在進(jìn)行 實(shí)際測(cè)量之前,先將指針恢復(fù)到零位，從而保障測(cè)量結(jié)果 顯示的準(zhǔn)確性。
4.3指針抖動(dòng)與不動(dòng)
指針抖動(dòng)也是壓力表測(cè)量中出現(xiàn)的普遍問(wèn)題，它是指 指針不能準(zhǔn)確的固定在某一值，而是處于晃動(dòng)搖擺的狀 態(tài)。導(dǎo)致該情況出現(xiàn)的主要原因就是游絲損壞或齒輪螺栓 卡死。針對(duì)于該情況,應(yīng)首先檢査壓力表內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否正 常,逐一排除故障。而有時(shí)候,壓力表指針不動(dòng)也是一種較 為常見(jiàn)的測(cè)量誤差來(lái)源,這時(shí)候應(yīng)主要檢査壓力表管道與 齒輪,排除管道堵塞或齒輪松動(dòng)的可能，以避免該類問(wèn)題 的出現(xiàn)。
5.結(jié)語(yǔ)
在當(dāng)前我國(guó)工業(yè)快速發(fā)展的背景下,對(duì)精密壓力表誤 差進(jìn)行研究分析,通過(guò)采取相應(yīng)的措施避免各種誤差的出 現(xiàn),有利于提升工業(yè)生產(chǎn)中儀表校驗(yàn)的準(zhǔn)確性與精度。而 在使用精密壓力表進(jìn)行測(cè)量時(shí),我們首先要清楚其工作原 理與常見(jiàn)誤差形式，這樣才可以有針對(duì)性的找到解決方 法,提高儀表的測(cè)量準(zhǔn)確性與精度。因此,本文主要以0.4 級(jí)精密壓力表為例，基于其工作原理探討了幾種常見(jiàn)的誤差形式,并進(jìn)行了合成不確定度的計(jì)算,分析了其誤差來(lái) 源與應(yīng)對(duì)措施,以便盡量的縮減誤差范圍。望本研究能夠 為精密壓力表的進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)與科學(xué)使用提供借鑒.
