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歷史悠久的就地壓力表有何發(fā)展趨勢(shì)

最早出現(xiàn)的儀器儀表應(yīng)該是一些就地儀表，如就地壓力表、就地溫度表、就地流量?jī)x表等等，這是因?yàn)樯a(chǎn)規(guī)模小，就地顯示能滿足監(jiān)視生產(chǎn)設(shè)備主要參數(shù)的工藝要求。以就地壓力表為例，在歐洲第一次工業(yè)革命(時(shí)間大致在十八世紀(jì)六十年代到十九世紀(jì)四十年代)末期的1830年“火箭”號(hào)蒸汽機(jī)車問(wèn)世，1844年威廉·費(fèi)阿柏恩發(fā)明蘭開(kāi)夏臥式雙火筒蒸汽鍋爐，并在各個(gè)領(lǐng)域中推廣應(yīng)用。但是由于缺乏合適的蒸汽壓力測(cè)量?jī)x表，常發(fā)生爆炸事故。1850年前后(資料記載的時(shí)間從1847-1852年不等)，法國(guó)的天才機(jī)械師E.波登(Eugene Bourdon，1803-1884)發(fā)明一種就地壓力表，這是用一端固定的“C”型金屬管來(lái)感受壓力變化，后人就將這種結(jié)構(gòu)的壓力表測(cè)量元件稱為波登管。“C”型金屬管的橫截面大致是矩形的。受壓后，金屬管尾端的位移通過(guò)傳動(dòng)桿、扇形齒輪帶動(dòng)指針旋轉(zhuǎn)，看指針在刻度盤(pán)上的位置就可以讀出壓力值(見(jiàn)圖1)。在許多工藝過(guò)程中，壓力是一個(gè)關(guān)鍵的測(cè)量指標(biāo)，用波登管壓力表進(jìn)行就地壓力測(cè)量，操作和維護(hù)設(shè)備的工人就可以經(jīng)常查看、讀取和記錄壓力測(cè)量值，這對(duì)于促進(jìn)當(dāng)時(shí)的鍋爐和蒸汽機(jī)的發(fā)展以及在各行各業(yè)的壓力監(jiān)測(cè)具有很重要的作用。

圖1 波登管就地壓力表外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(1為刻度盤(pán)；2為指針；3為波登管；4為傳動(dòng)桿；5為扇形齒輪)

直到二十世紀(jì)上半葉，人們才在波登管就地壓力表的基礎(chǔ)上推出電接點(diǎn)壓力表和遠(yuǎn)傳壓力表，從二十世紀(jì)五十年代開(kāi)始，各種可遠(yuǎn)程傳輸?shù)膲毫ψ兯推鞒蔀閴毫y(cè)量?jī)x表的主流。但即使在信息技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，我們?nèi)匀豢梢栽诤芏嗌a(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)看到各種形式的就地壓力表，它們?nèi)匀焕^續(xù)發(fā)揮其現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)壓力參數(shù)的作用，由此可見(jiàn)就地壓力表生命力的強(qiáng)大。但有170年歷史的波登管就地壓力表也不會(huì)停滯不前，它也在與時(shí)俱進(jìn)，不斷適應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程新的要求，用新原理、新技術(shù)改進(jìn)自身結(jié)構(gòu)，使古老的儀表設(shè)備煥發(fā)青春。

我們可以將就地壓力表的改進(jìn)分為作為就地顯示設(shè)備的進(jìn)展和作為信息遠(yuǎn)傳設(shè)備的進(jìn)展兩部分闡述。

1、就地壓力表作為就地顯示設(shè)備的進(jìn)展
作為就地顯示設(shè)備，就地壓力表的改進(jìn)體現(xiàn)在擴(kuò)展量程范圍、防腐蝕防振動(dòng)、擴(kuò)大應(yīng)用范圍、差壓測(cè)量以及數(shù)顯壓力表。

①擴(kuò)展量程范圍
由于波登管就地壓力表的上限測(cè)量范圍約為60kPa-60MPa，而采用膜盒作為檢測(cè)元件，上限量程范圍約為250Pa-60kPa(德國(guó)菲索公司可提供0-100kPa)，即可將壓力檢測(cè)下限從延伸到250Pa的微壓量程。當(dāng)采用多圈螺旋管時(shí)，可將就地壓力表的測(cè)量上限提高到700MPa。如北京布萊迪公司的YTH不銹鋼壓力表，當(dāng)測(cè)量范圍?10MPa時(shí)，感壓元件為C型管，當(dāng)量程范圍10MPa-250MPa時(shí)，感壓元件為多圈螺旋管。

②防腐蝕防振動(dòng)
由于普通就地壓力表的波登管采用銅合金制造，不耐腐蝕，當(dāng)波登管采用涂鍍銅合金或不銹鋼材質(zhì)制造時(shí)，可用于輕微腐蝕性介質(zhì)。對(duì)于腐蝕性介質(zhì)，當(dāng)普通不銹鋼材質(zhì)也不能解決問(wèn)題時(shí)，又增加了膜片式、隔膜式兩類就地壓力表。膜片式壓力表的膜片一般采用316Ti不銹鋼、Cr15Ni7MO不銹鋼或襯聚四氟乙烯PTFE的 316Ti不銹鋼制作，應(yīng)用于粘稠、含固體物介質(zhì)、易結(jié)晶介質(zhì)或腐蝕性液體氣體，上限量程范圍約為1kPa-4MPa。隔膜式壓力表的隔膜制作材質(zhì)品種較多，如316L、304L、904L、哈式合金C、蒙乃爾合金、鈦、鎳、鉭、鋯、襯聚四氟乙烯PTFE的316L、316L鍍金等，可用于強(qiáng)腐蝕、高溫、高粘度、易結(jié)晶、易凝固或含固體浮游物的液體介質(zhì)，上限量程范圍約為1MPa-60MPa。

在有機(jī)械振動(dòng)的工作環(huán)境或介質(zhì)壓力脈動(dòng)的場(chǎng)合，可使用防震壓力表，防震壓力表上限量程范圍約為0.1MPa-250MPa。其表殼采用全密封結(jié)構(gòu)，表殼內(nèi)填充阻尼油，如硅油、氟油、甘油、甘油水溶液，還裝有阻尼管、阻尼片及阻尼螺釘?shù)却胧瑸楸須?nèi)的活動(dòng)零件提供阻尼,克服介質(zhì)強(qiáng)烈脈動(dòng)和環(huán)境振動(dòng)給壓力表帶來(lái)的沖擊損害。由于緊急狀況時(shí)，彈性元件波登管可能破裂，管道內(nèi)部壓力釋放時(shí)會(huì)危及人員及設(shè)施的安全，而安全型防震壓力表的表盤(pán)和測(cè)量系統(tǒng)之間焊接有安全隔板，窗口通常由夾層安全玻璃制成，背部設(shè)有泄壓后蓋及泄壓孔，可釋放內(nèi)部壓力，避免玻璃飛濺造成的人員傷害，保障安全。

③擴(kuò)大應(yīng)用范圍
針對(duì)一些特定檢測(cè)介質(zhì)推出指定使用介質(zhì)的特種壓力表，如氨壓力表就因接液介質(zhì)禁銅，可采用316L波登管；乙炔壓力表要求接液元件的含銅量不得大于70%且要求脫脂禁油，可采用H62黃銅或316L波登管；氫氣壓力表、氧氣壓力表的介質(zhì)要求嚴(yán)格的脫脂禁油措施。此外還有丙烷壓力表、二氧化碳?jí)毫Ρ怼⒌獨(dú)鈮毫Ρ怼鍤鈮毫Ρ淼鹊取?/span>

船用壓力表應(yīng)具有良好的防震性能，在偏離安裝位置±22°的搖擺情況下能正常工作，防護(hù)等級(jí)滿足IP64級(jí)防濺性能要求，表盤(pán)上主刻度及指針前端涂有永久性發(fā)光劑，保證在黑暗環(huán)境中能正常觀察壓力值。類似的專用壓力表還有很多，如醫(yī)用、冷媒、焊切割氣體等等。

為了檢定普通壓力表，可采用精密壓力表作為標(biāo)準(zhǔn)表，普通壓力表的準(zhǔn)確度可以是1級(jí)、1.6級(jí)、2.5級(jí)，精密壓力表的準(zhǔn)確度為0.4級(jí)、0.25級(jí)。

圖2 精密壓力表

在制藥、食品、飲水、水處理等行業(yè)對(duì)壓力表有與衛(wèi)生相關(guān)的規(guī)定，如應(yīng)滿足藥品生產(chǎn)質(zhì)量規(guī)范(GMP)的要求，壓力表與生產(chǎn)過(guò)程介質(zhì)接觸的表面應(yīng)光滑平整，易于清洗消毒，不允許發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或吸附。而采用隔膜隔離器可以避免測(cè)量介質(zhì)直接進(jìn)入壓力儀表內(nèi)部，滿足不易污染、容易清洗、安全可靠、裝拆快捷方便等優(yōu)點(diǎn)，所以衛(wèi)生型壓力表是由通用型壓力儀表與隔膜隔離器組成的隔膜壓力表。隔膜材料有316或316L不銹鋼、鉭膜片，哈氏合金等，上限量程范圍為0.1MPa-60MPa，產(chǎn)品應(yīng)通過(guò)歐洲CE認(rèn)證及歐盟ROHS強(qiáng)制性認(rèn)證。

④差壓測(cè)量
差壓也屬于壓力檢測(cè)參數(shù)中的一類，既然有就地壓力表，那么也應(yīng)該有就地差壓表。所以少數(shù)壓力表生產(chǎn)廠也提供了這類產(chǎn)品,如單膜片、雙膜片、波紋管等形式的就地差壓表，準(zhǔn)確度為1.0級(jí)-2.5級(jí)。上海自動(dòng)化儀表公司的就地不銹鋼差壓表采用雙波紋管結(jié)構(gòu)，在一個(gè)“工”字型支架的上下兩端分別是活動(dòng)端和固定端，中間由簧片柔性連接。兩只波紋管分別安裝在“工”字型支架兩側(cè)活動(dòng)支架的對(duì)稱位置上，當(dāng)兩只波紋管施加不同壓力時(shí)，支架的活動(dòng)端產(chǎn)生相應(yīng)的位移，并帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使指針偏轉(zhuǎn)顯示差壓值。差壓上限量程范圍為25kPa-1.6MPa，采用進(jìn)口雙波紋管元件的不銹鋼差壓表，差壓上限量程范圍為1kPa-60MPa。北京布萊迪公司的就地差壓表以多種檢測(cè)方式覆蓋了從250Pa-10MPa的上限量程范圍，其中采用膜盒感壓元件的差壓上限量程范圍為250Pa-25kPa，采用單膜片感壓元件的差壓上限量程范圍為2.5kPa-0.1MPa，采用雙膜片感壓元件的差壓上限量程范圍為16kPa-1.6MPa，采用C型雙波登管感壓元件的差壓上限量程范圍為0.16MPa-10MPa。圖3為菲索公司雙管感壓元件的差壓表，它由兩套獨(dú)立的測(cè)量系統(tǒng)和指針組成，黑色指針P1測(cè)量正壓值，與刻度盤(pán)一體的紅色指針P2測(cè)量負(fù)壓值，通過(guò)中間小刻度盤(pán)上黑色指針P1的位置(代表黑、紅兩個(gè)指針的位置差P1-P2)就可以讀出壓力差值。
菲索公司雙管感壓元件的就地差壓表

圖3 雙管感壓元件的就地差壓表

⑤數(shù)顯壓力表
為了能直接讀取壓力值，近年來(lái)數(shù)顯壓力表較為普及，它采用了壓力傳感器數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)、電池供電以及LCD顯示屏技術(shù)。壓力傳感器的品種有壓阻式、電阻應(yīng)變式、陶瓷式、擴(kuò)散硅式等，測(cè)量準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.5、0.2、0.1級(jí)，甚至可達(dá)到0.05級(jí)、0.02級(jí)。電源可采用7號(hào)電池(續(xù)航時(shí)間6-12個(gè)月)，也可采用大容量鋰電池(續(xù)航時(shí)間3-5年)。杭州美儀自動(dòng)化公司的SUP-Y190智能壓力數(shù)顯表(見(jiàn)圖4)，內(nèi)置高精度壓力傳感器，量程-0.1~60MPa，精度等級(jí)0.4%FS，由2節(jié)7號(hào)電池供電，電池壽命6個(gè)月，帶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、峰值記錄等功能。

圖4 智能壓力數(shù)顯表

壓力數(shù)顯表本身的精度就比較高，而專門用作壓力校驗(yàn)儀的壓力數(shù)顯表還可以做得更高，如原西安熱工壓力表廠改制的創(chuàng)威公司是高端壓力計(jì)量校準(zhǔn)設(shè)備制造廠，它所生產(chǎn)的CWY300數(shù)字壓力校驗(yàn)儀的精度等級(jí)為0.1%FS、0.05%FS、0.02%FS，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于精密壓力表，最大量程還可以選250MPa。

2、就地壓力表作為信息遠(yuǎn)傳設(shè)備的進(jìn)展
就地壓力表的檢查信息只能就地顯示，這肯定滿足不了生產(chǎn)發(fā)展的要求，所以先從電接點(diǎn)壓力表起步，將壓力顯示值超限信號(hào)(上限、下限)遠(yuǎn)傳。隨后是提供帶各種電信號(hào)遠(yuǎn)傳裝置的就地壓力表，再往后則是各類無(wú)線傳送儀表。

①電接點(diǎn)壓力表
電接點(diǎn)壓力表的刻度盤(pán)上一般有三根指針，每根指針的尾端都焊接了一條導(dǎo)線，三根指針?lè)譃槿龑盈B加起來(lái)，相互之間絕緣，一般都安裝在表盤(pán)下面。通常黑色指針為儀表指針，位置在中間，用來(lái)顯示壓力測(cè)量值；在儀表指針的上面和下面分別是代表上下限的設(shè)定指針，紅色指針作上限報(bào)警設(shè)定用，綠色指針作下限報(bào)警設(shè)定用，一般在表殼外就可以用螺絲刀設(shè)置(見(jiàn)圖5)。儀表指針上設(shè)有動(dòng)觸頭，設(shè)定指針上設(shè)有定觸頭，當(dāng)測(cè)量指針位于上下限設(shè)定指針之間時(shí)，壓力值正常，無(wú)報(bào)警接點(diǎn)輸出；當(dāng)壓力升高測(cè)量指針超過(guò)上限設(shè)定指針時(shí)，輸出上限報(bào)警接點(diǎn)信號(hào)；當(dāng)壓力降低測(cè)量指針越過(guò)下限設(shè)定指針時(shí)，輸出下限報(bào)警接點(diǎn)信號(hào)。還有的電接點(diǎn)壓力表有四個(gè)設(shè)定指針，可以用來(lái)設(shè)定四個(gè)輸出接點(diǎn)信號(hào)，例如上上限、上限、下限、下下限信號(hào)。在工作環(huán)境振動(dòng)或介質(zhì)壓力脈動(dòng)造成觸點(diǎn)頻繁關(guān)斷的情況下，可在設(shè)定指針的定觸頭上裝磁助式電接點(diǎn)、干簧電阻鏈?zhǔn)诫娊狱c(diǎn)、感應(yīng)式電接點(diǎn)和電子式電接點(diǎn)等方式增加接點(diǎn)吸力，加快接觸動(dòng)作，從而使觸點(diǎn)信號(hào)接觸可靠，消除電弧。

圖5 電接點(diǎn)壓力表

電接點(diǎn)壓力表的接點(diǎn)需供電，因而在有爆炸性混合物的危險(xiǎn)場(chǎng)合又提出防爆要求，所以又有本安型防爆電接點(diǎn)壓力表和隔爆型防爆電接點(diǎn)壓力表。

②帶各種電信號(hào)遠(yuǎn)傳裝置的就地壓力表
有各種類型的電信號(hào)遠(yuǎn)傳壓力表，如電阻式、差動(dòng)遠(yuǎn)傳式、霍爾式等等。如電阻式是在壓力表波登管的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上設(shè)置滑線電阻，當(dāng)扇形齒輪軸產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)滑線電阻上的電刷移動(dòng)，從而使電阻值變化并傳送到二次儀表顯示相應(yīng)的讀數(shù)。起始電阻值：30Ω-20Ω，滿度電阻值：340Ω-400Ω，精度等級(jí)為1.6級(jí)。差動(dòng)遠(yuǎn)傳式的輸出為電壓信號(hào)(0-10V或1V-5V)。但隨著單元組合儀表的普及，后期電信號(hào)遠(yuǎn)傳壓力表輸出信號(hào)已經(jīng)有0-10mA或4mA-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。

③無(wú)線傳送壓力表
工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中大量的就地壓力表僅有就地顯示功能，需操作人員去現(xiàn)場(chǎng)就地讀數(shù)，但隨著生產(chǎn)技術(shù)水平的提高，對(duì)過(guò)程檢測(cè)參數(shù)集中監(jiān)測(cè)的要求越來(lái)越迫切，對(duì)就地壓力表的改造也列上議事日程了。一種辦法是采用變送器取代就地壓力表，這不僅涉及較多的投資，也需拆除就地顯示儀表、安裝新的變送器。2008年11月，美國(guó)霍尼韋爾(Honeywell)公司采用直接在原有就地壓力表的刻表盤(pán)上安裝圖像識(shí)別裝置的方法，將就地壓力表的指針顯示值轉(zhuǎn)換成數(shù)字讀數(shù)后，再以無(wú)線通信的方式傳送到控制室的控制系統(tǒng)。新產(chǎn)品的名稱是無(wú)線讀表器，它是符合ISA100.11a無(wú)線通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的霍尼韋爾OneWireless無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

圖6所示為美國(guó)霍尼韋爾公司的無(wú)線讀表器在就地壓力表上安裝示意圖，當(dāng)就地壓力表為圓形、表盤(pán)直徑為38mm-152.5mm之間時(shí)，可以通過(guò)安裝用適配器直接夾在現(xiàn)有的就地壓力表的刻度盤(pán)上，而無(wú)線讀表器通過(guò)安裝用適配器也固定在就地壓力表上。

圖6 霍尼韋爾公司的無(wú)線讀表器(1為無(wú)線讀表器；2為安裝用適配器；3為就地壓力表)

通過(guò)圖像識(shí)別得到就地壓力表的儀表讀數(shù)并轉(zhuǎn)換成可以進(jìn)行無(wú)線通信的數(shù)據(jù)，同時(shí)數(shù)據(jù)以大屏幕的方式在無(wú)線讀表器面板上LCD大液晶屏本地顯示，儀表讀數(shù)還可通過(guò)無(wú)線模塊以無(wú)線傳輸?shù)姆绞絺魉偷娇刂剖摇?/span>

原有的就地壓力表為人工監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率很低。無(wú)線讀表器可提供自動(dòng)的、更頻繁的監(jiān)測(cè)。但由于它是一個(gè)電池供電的裝置，為了保證電池一定的壽命，刷新率不能過(guò)快，所以作為刷新率指標(biāo)，無(wú)線讀表器提供1min-18h的刷新率。當(dāng)刷新率確定為15min時(shí)，電池壽命為2年。在美國(guó)存在核輻射危險(xiǎn)的某核電站就地現(xiàn)場(chǎng)有數(shù)以百計(jì)的就地壓力表，巡檢人員每天要到現(xiàn)場(chǎng)巡查4次，增加無(wú)線讀表器后，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不作任何改動(dòng)就將就地顯示儀表的讀數(shù)連續(xù)傳送到控制室供操作人員監(jiān)控。

由于就地壓力表是一類低價(jià)格儀表，通常故障率較高，存在指針變形、指針晃動(dòng)、指針斷裂脫落、指針沖出止銷不回零、玻璃表盤(pán)破損等類故障(見(jiàn)圖7)。在解決信號(hào)遠(yuǎn)傳的同時(shí)，對(duì)就地壓力表來(lái)一個(gè)徹底革新，提高其運(yùn)行可靠性，這是美國(guó)艾默生過(guò)程管理采用的方法。

圖7 就地壓力表常見(jiàn)故障

2016年5月艾默生過(guò)程管理推出具有WirelessHART功能的WPG無(wú)線指針式壓力變送器(見(jiàn)圖8)，它采用壓阻傳感器電子技術(shù)，取代了機(jī)械部件，可無(wú)故障運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)10年。但在就地顯示方式上，仍然采用傳統(tǒng)的指針顯示。壓力表表盤(pán)直徑為114.3mm，準(zhǔn)確度0.5%，具有高達(dá)150倍的過(guò)壓保護(hù)和雙層過(guò)程隔離特性，確保設(shè)備與人員安全。無(wú)線傳輸?shù)男畔⑺⑿侣士稍?min-60min范圍內(nèi)設(shè)定，壓力表刻度盤(pán)上的LED燈閃爍指示儀表的狀態(tài)條件，如工作狀況良好，還可發(fā)出低電量、設(shè)備故障或電源中斷的警告。

圖8 艾默生過(guò)程管理的WPG無(wú)線指針式壓力變送器

中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研究人員提出了成本較低的工業(yè)儀表(如就地壓力表)無(wú)線識(shí)讀裝置的設(shè)計(jì)方案，其通信協(xié)議為中國(guó)制定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)WIA-PA。

按流程行業(yè)無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)制造的無(wú)線傳送壓力表性能非常可靠，但價(jià)格高昂，要想使現(xiàn)場(chǎng)壓力表按上述方案進(jìn)行改造，投資是巨大的。非常多的國(guó)內(nèi)的壓力表生產(chǎn)商為適應(yīng)用戶的要求，特別是在一些市政公用工程領(lǐng)域，如供排水、消防水、燃?xì)夤?yīng)、取暖蒸汽供應(yīng)等場(chǎng)合大批量應(yīng)用無(wú)線傳送壓力表時(shí)，推出了了帶無(wú)線遠(yuǎn)傳功能的普通數(shù)顯壓力表，通信協(xié)議采用GPRS、LoRa、LoRaWAN、NB-IoT等。以寶雞麥克傳感器公司的MPM6891型無(wú)線壓力表為例，量程為0-2.5MPa，精度±1%FS，刷新率為1min-1440min，可提供NB-IoT/2G/4G公網(wǎng)無(wú)線協(xié)議，上傳信息包括壓力數(shù)據(jù)，電池信息，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)(見(jiàn)圖9)。
寶雞麥克傳感器公司的MPM6891型無(wú)線壓力表

圖9 無(wú)線壓力表

就地壓力表是一個(gè)歷史悠久而又不起眼的儀表，170年來(lái)多少專家對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)革新，使之既滿足各類應(yīng)用要求，又與時(shí)俱進(jìn)，不斷推出新技術(shù)、新產(chǎn)品。本文所述及的僅僅只是其中的一部分，但已經(jīng)可以窺到就地壓力表多彩、精致、博大精深的一角了。

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歷史悠久的就地壓力表有何發(fā)展趨勢(shì)