【工控百家谈】历史悠久的就地压力表有何发展趋势？

文章标题：历史悠久的就地压力表有何发展趋势？
作者：方原柏


1 概述

最早出现的仪器仪表应该是一些就地仪表，如就地压力表、就地温度表、就地流量仪表等等，这是因为生产规模小，就地显示能满足监视生产设备主要参数的工艺要求。以就地压力表为例，在欧洲第一次工业革命（时间大致在十八世纪六十年代到十九世纪四十年代）末期的1830年“火箭”号蒸汽机车问世，1844年威廉·费阿柏恩发明兰开夏卧式双火筒蒸汽锅炉，并在各个领域中推广应用。但是由于缺乏合适的蒸汽压力测量仪表，常发生爆炸事故。1850年前后（资料记载的时间从1847~1852年不等），法国的天才机械师E.波登(Eugene Bourdon，1803~1884)发明一种就地压力表，这是用一端固定的“C”型金属管来感受压力变化，后人就将这种结构的压力表测量元件称为波登管。 “C”型金属管的横截面大致是矩形的。受压后，金属管尾端的位移通过传动杆、扇形齿轮带动指针旋转，看指针在刻度盘上的位置就可以读出压力值(见图1)。在许多工艺过程中，压力是一个关键的测量指标，用波登管压力表进行就地压力测量，操作和维护设备的工人就可以经常查看、读取和记录压力测量值，这对于促进当时的锅炉和蒸汽机的发展以及在各行各业的压力监测具有很重要的作用。

图1  波登管就地压力表外观及内部结构图
1-刻度盘；2-指针；3-波登管；4-传动杆；5-扇形齿轮

直到二十世纪上半叶，人们才在波登管就地压力表的基础上推出电接点压力表和远传压力表，从二十世纪五十年代开始，各种可远程传输的压力变送器成为压力测量仪表的主流。但即使在信息技术高度发达的今天，我们仍然可以在很多生产现场看到各种形式的就地压力表，它们仍然继续发挥其现场监测压力参数的作用，由此可见就地压力表生命力的强大。但有170年历史的波登管就地压力表也不会停滞不前，它也在与时俱进，不断适应生产过程新的要求，用新原理、新技术改进自身结构，使古老的仪表设备焕发青春。

我们可以将就地压力表的改进分为作为就地显示设备的进展和作为信息远传设备的进展两部分阐述。


2 就地压力表作为就地显示设备的进展

作为就地显示设备，就地压力表的改进体现在扩展量程范围、防腐蚀防振动、扩大应用范围、差压测量以及数显压力表。

2.1 扩展量程范围

由于波登管就地压力表的上限测量范围约为60kPa~60MPa，而采用膜盒作为检测元件，上限量程范围约为250Pa~60kPa（德国菲索公司可提供0~100kPa），即可将压力检测下限从延伸到250P的微压量程。当采用多圈螺旋管时，可将就地压力表的测量上限提高到700MPa。如北京布莱迪公司的YTH不锈钢压力表，当测量范围?10MPa时，感压元件为C型管，当量程范围10MPa~250MPa时，感压元件为多圈螺旋管。

2.2 防腐蚀防振动

由于普通就地压力表的波登管采用铜合金制造，不耐腐蚀，当波登管采用涂镀铜合金或不锈钢材质制造时，可用于轻微腐蚀性介质。对于腐蚀性介质，当普通不锈钢材质也不能解决问题时，又增加了膜片式、隔膜式两类就地压力表。膜片式压力表的膜片一般采用316Ti不锈钢、Cr15Ni7MO不锈钢或衬聚四氟乙烯PTFE的 316Ti不锈钢制作，应用于粘稠、含固体物介质、易结晶介质或腐蚀性液体气体，上限量程范围约为1 kPa~4 MPa。隔膜式压力表的隔膜制作材质品种较多，如316L、304L、904L、哈式合金C、蒙乃尔合金、钛、镍、钽、锆、衬聚四氟乙烯PTFE的 316L、316L镀金等，可用于强腐蚀、高温、高粘度、易结晶、易凝固或含固体浮游物的液体介质，上限量程范围约为1 MPa~60 MPa。

在有机械振动的工作环境或介质压力脉动的场合，可使用防震压力表，防震压力表上限量程范围约为0.1 MPa~250 MPa。其表壳采用全密封结构，表壳内填充阻尼油，如硅油、氟油、甘油、甘油水溶液，还装有阻尼管、阻尼片及阻尼螺钉等措施，为表壳内的活动零件提供阻尼,克服介质强烈脉动和环境振动给压力表带来的冲击损害。由于紧急状况时，弹性元件波登管可能破裂，管道内部压力释放时会危及人员及设施的安全，而安全型防震压力表的表盘和测量系统之间焊接有安全隔板，窗口通常由夹层安全玻璃制成，背部设有泄压后盖及泄压孔，可释放内部压力，避免玻璃飞溅造成的人员伤害，保障安全。

2.3 扩大应用范围

针对一些特定检测介质推出指定使用介质的特种压力表，如氨压力表就因接液介质禁铜，可采用316L波登管；乙炔压力表要求接液元件的含铜量不得大于70%且要求脱脂禁油，可采用H62黄铜或316L波登管；氢气压力表、氧气压力表的介质要求严格的脱脂禁油措施。此外还有丙烷压力表、二氧化碳压力表、氮气压力表、氩气压力表等等。

船用压力表应具有良好的防震性能，在偏离安装位置±22°的摇摆情况下能正常工作，防护等级满足IP64级防溅性能要求，表盘上主刻度及指针前端涂有永久性发光剂，保证在黑暗环境中能正常观察压力值。类似的专用压力表还有很多，如医用、冷媒、焊切割气体等等。

为了检定普通压力表，可采用精密压力表作为标准仪表，普通压力表的准确度可以是1级、1.6级、2.5级，精密压力表的准确度为0.4级、0.25级。

图2 精密压力表

在制药、食品、饮水、水处理等行业对压力表有与卫生相关的规定，如应满足药品生产质量规范(GMP)的要求，压力表与生产过程介质接触的表面应光滑平整，易于清洗消毒，不允许发生化学反应或吸附。而采用隔膜隔离器可以避免测量介质直接进入压力仪表内部，满足不易污染、容易清洗、安全可靠、装拆快捷方便等优点，所以卫生型压力表是由通用型压力仪表与隔膜隔离器组成的隔膜压力表。隔膜材料有316或316L不锈钢、钽膜片，哈氏合金等，上限量程范围为0.1MPa~60MPa，产品应通过欧洲CE认证及欧盟ROHS强制性认证。

2.4 差压测量

差压也属于压力检测参数中的一类，既然有就地压力表，那么也应该有就地差压表。所以少数压力表生产厂也提供了这类产品,如单膜片、双膜片、波纹管等形式的就地差压表，准确度为1.0级~2.5级。上海自动化仪表公司的就地不锈钢差压表采用双波纹管结构，在一个“工”字型支架的上下两端分别是活动端和固定端，中间由簧片柔性连接。两只波纹管分别安装在“工”字型支架两侧活动支架的对称位置上，当两只波纹管施加不同压力时，支架的活动端产生相应的位移，并带动齿轮传动机构，使指针偏转显示差压值。差压上限量程范围为25kPa~1.6MPa，采用进口双波纹管元件的不锈钢差压表，差压上限量程范围为1kPa~60MPa。北京布莱迪公司的就地差压表以多种检测方式覆盖了从250Pa~10MPa的上限量程范围，其中采用膜盒感压元件的差压上限量程范围为250Pa~25kPa，采用单膜片感压元件的差压上限量程范围为2.5kPa~0.1MPa，采用双膜片感压元件的差压上限量程范围为16kPa~1.6MPa，采用C型双波登管感压元件的差压上限量程范围为0.16MPa~10MPa。图3 为菲索公司双管感压元件的差压表，它由两套独立的测量系统和指针组成，黑色指针P1测量正压值，与刻度盘一体的红色指针P2测量负压值，通过中间小刻度盘上黑色指针P1的位置（代表黑、红两个指针的位置差P1-P2）就可以读出压力差值。

图3 菲索公司双管感压元件的就地差压表

2.5数显压力表

为了能直接读取压力值，近年来数显压力表较为普及，它采用了压力传感器数字化检测技术、电池供电以及LCD显示屏技术。压力传感器的品种有压阻式、电阻应变式、陶瓷式、扩散硅式等，测量准确度可以达到0.5、0.2、0.1级，甚至可达到0.05级、0.02级。电源可采用7号电池（续航时间6~12个月），也可采用大容量锂电池（续航时间3~5年）。杭州美仪自动化公司的SUP-Y190智能压力数显表（见图4），内置高精度压力传感器，量程-0.1~60MPa，精度等级0.4%FS，由2节7号电池供电，电池寿命6个月，带数据存储、峰值记录等功能。

图4 杭州美仪自动化公司的智能压力数显表

压力数显表本身的精度就比较高，而专门用作压力校验仪的压力数显表还可以做得更高，如原西安热工压力表厂改制的创威公司是高端压力计量校准设备制造厂，它所生产的CWY300数字压力校验仪的精度等级为0.1%FS、0.05%FS、0.02%FS，远远高于精密压力表，最大量程还可以选250MPa。


3 就地压力表作为信息远传设备的进展

就地压力表的检查信息只能就地显示，这肯定满足不了生产发展的要求，所以先从电接点压力表起步，将压力显示值超限信号（上限、下限）远传。随后是提供带各种电信号远传装置的就地压力表，再往后则是各类无线传送仪表。

3.1 电接点压力表

电接点压力表的刻度盘上一般有三根指针，每根指针的尾端都焊接了一条导线，三根指针分为三层叠加起来，相互之间绝缘，一般都安装在表盘下面。通常黑色指针为仪表指针，位置在中间，用来显示压力测量值；在仪表指针的上面和下面分别是代表上下限的设定指针，红色指针作上限报警设定用，绿色指针作下限报警设定用，一般在表壳外就可以用螺丝刀设置（见图5）。仪表指针上设有动触头，设定指针上设有定触头，当测量指针位于上下限设定指针之间时，压力值正常，无报警接点输出；当压力升高测量指针超过上限设定指针时，输出上限报警接点信号；当压力降低测量指针越过下限设定指针时，输出下限报警接点信号。还有的电接点压力表有四个设定指针，可以用来设定四个输出接点信号，例如上上限、上限、下限、下下限信号。在工作环境振动或介质压力脉动造成触点频繁关断的情况下，可在设定指针的定触头上装磁助式电接点、干簧电阻链式电接点、感应式电接点和电子式电接点等方式增加接点吸力，加快接触动作，从而使触点信号接触可靠，消除电弧。

图5  电接点压力表

电接点压力表的接点需供电，因而在有爆炸性混合物的危险场合又提出防爆要求，所以又有本安型防爆电接点压力表和隔爆型防爆电接点压力表。

3.2 带各种电信号远传装置的就地压力表

有各种类型的电信号远传压力表，如电阻式、差动远传式、霍尔式等等。如电阻式是在压力表波登管的齿轮传动机构上设置滑线电阻，当扇形齿轮轴产生偏转时，带动滑线电阻上的电刷移动，从而使电阻值变化并传送到二次仪表显示相应的读数。起始电阻值：30Ω～20Ω，满度电阻值：340Ω～400Ω，精度等级为1.6级。差动远传式的输出为电压信号（0~10V或1V~5V）。但随着单元组合仪表的普及，后期电信号远传压力表输出信号已经有0~10mA或4mA~20mA标准电流信号。

3.3 无线传送压力表

工业现场中大量的就地压力表仅有就地显示功能，需操作人员去现场就地读数，但随着生产技术水平的提高，对过程检测参数集中监测的要求越来越迫切，对就地压力表的改造也列上议事日程了。一种办法是采用变送器取代就地压力表，这不仅涉及较多的投资，也需拆除就地显示仪表、安装新的变送器。2008年11月，美国霍尼韦尔（Honeywell）公司采用直接在原有就地压力表的刻表盘上安装图像识别装置的方法，将就地压力表的指针显示值转换成数字读数后，再以无线通信的方式传送到控制室的控制系统。新产品的名称是无线读表器，它是符合ISA100.11a无线通信国际标准的霍尼韦尔OneWireless无线网络中的现场设备。

图6所示为美国霍尼韦尔公司的无线读表器在就地压力表上安装示意图，当就地压力表为圆形、表盘直径为38mm~152.5mm之间时，可以通过安装用适配器直接夹在现有的就地压力表的刻度盘上，而无线读表器通过安装用适配器也固定在就地压力表上。

图6 霍尼韦尔公司的无线读表器
1-无线读表器；2-安装用适配器；3-就地压力表

通过图像识别得到就地压力表的仪表读数并转换成可以进行无线通信的数据，同时数据以大屏幕的方式在无线读表器面板上LCD大液晶屏本地显示，仪表读数还可通过无线模块以无线传输的方式传送到控制室。

原有的就地压力表为人工监测，监测频率很低。无线读表器可提供自动的、更频繁的监测。但由于它是一个电池供电的装置，为了保证电池一定的寿命，刷新率不能过快，所以作为刷新率指标，无线读表器提供1min~18h的刷新率。当刷新率确定为15min时，电池寿命为2年。在美国存在核辐射危险的某核电站就地现场有数以百计的就地压力表，巡检人员每天要到现场巡查4次，增加无线读表器后，可对现场不作任何改动就将就地显示仪表的读数连续传送到控制室供操作人员监控。

由于就地压力表是一类低价格仪表，通常故障率较高，存在指针变形、指针晃动、指针断裂脱落、指针冲出止销不回零、玻璃表盘破损等类故障（见图7）。在解决信号远传的同时，对就地压力表来一个彻底革新，提高其运行可靠性，这是美国艾默生过程管理采用的方法。

图7 就地压力表常见故障

2016年5月艾默生过程管理推出具有WirelessHART 功能的WPG无线指针式压力变送器（见图8），它采用压阻传感器电子技术，取代了机械部件，可无故障运行长达 10 年。但在就地显示方式上，仍然采用传统的指针显示。压力表表盘直径为114.3 mm，准确度0.5%，具有高达 150 倍的过压保护和双层过程隔离特性，确保设备与人员安全。无线传输的信息刷新率可在1min~60min范围内设定，压力表刻度盘上的LED 灯闪烁指示仪表的状态条件，如工作状况良好，还可发出低电量、设备故障或电源中断的警告。

图8 艾默生过程管理的WPG无线指针式压力变送器

中国科学院沈阳自动化研究所研究人员提出了成本较低的工业仪表（如就地压力表）无线识读装置的设计方案，其通信协议为中国制定的国际标准WIA-PA。

按流程行业无线通信标准制造的无线传送压力表性能非常可靠，但价格高昂，要想使现场压力表按上述方案进行改造，投资是巨大的。非常多的国内的压力表生产商为适应用户的要求，特别是在一些市政公用工程领域，如供排水、消防水、燃气供应、取暖蒸汽供应等场合大批量应用无线传送压力表时，推出了了带无线远传功能的普通数显压力表，通信协议采用GPRS、LoRa、LoRaWAN、NB-IoT等。以宝鸡麦克传感器公司的MPM6891型无线压力表为例，量程为0～2.5MPa，精度±1%FS，刷新率为1min~1440min，可提供NB-IoT/2G/4G公网无线协议，上传信息包括压力数据，电池信息，网络状态（见图9）。

图9 宝鸡麦克传感器公司的MPM6891型无线压力表


4 结束语

就地压力表是一个历史悠久而又不起眼的仪表，170年来多少专家对其进行改进革新，使之既满足各类应用要求，又与时俱进，不断推出新技术、新产品。本文所述及的仅仅只是其中的一部分，但已经可以窥到就地压力表多彩、精致、博大精深的一角了。


参考资料：
[1]许汉文.国外压力仪表发展概况[J].工业仪表与自动化装置，1976（03）：60~64.
[2]方原柏.流程行业无线通信技术及应用[M].北京：化学工业出版社，2014.
[3]张华良,曾鹏.基于图像识别与传输的工业仪表无线识读装置设计 [J].仪器仪表标准化与计量2010(4):36~38.
[4]Emerson.Emerson推出业内首个无线指针式压力变送器，用于帮助工厂改善运营
http://www.gongkong.com/news/201608/347591.html.2016.08.10.


（版权提示：本文作者为方原柏，如需转载，请联系【工控百家谈】微信公众号获得授权。如需投稿请联系微信公众号小编）

作者简介

方原柏，1942年生，男，湖北黄冈人，汉族，昆明有色冶金设计研究院电气自动化分院教授级高级工程师，衡器、自动化仪表、冶金自动化、仪器仪表用户、仪器仪表与自动化等杂志编委，昆明仪器仪表学会理事长，中国衡器协会技术专家委员会顾问，主要从事仪器仪表、控制系统的应用研究，曾出版“电子皮带秤的原理及应用”（1994年，冶金工业出版社）、“电子皮带秤”（2007年，冶金工业出版社）“流程行业无线通信技术及应用”（2015年化学工业出版社）、“有色金属生产过程自动化”（2015年，人民邮电出版社）、“检重秤”（2020年，中国质量标准工业出版社）五本专著，发表论文350篇。

—————————————————————
往期阅读：
陈冰：盘点PLC发展早期大事记不完全版（1968-1994）
贝加莱肖维荣博士聊机械自动化那些事
周舟：编写PLC程序从做Excel表开始
周舟：越高端的电气工程师，要填越大的坑？
何强 李义章：工业APP到底是个啥？它有什么用？
邓李：如何编写优质的PLC/PAC程序？
叶晖：唠一唠VR/AR在智造互联的最佳实践
方原柏:从艾默生罗斯蒙特三代产品看压力变送器的发展趋势
孙西领：这年头，非标自动化不是谁想干就能干的
梁智斌：我常用的软件工具，推荐给工控工程师
杨志强：为自动化工程师变身线上讲师支几招
汇川技术董事长朱兴明2020新年演讲150分钟完整视频
刘博：十分钟快速搭建的3D虚拟产线太逼真，难怪KUKA要收购它!
包锐：树莓派+IEC61131-3+NodeRED=边缘控制PLC？这篇说透了！
熊猫：那年西门子7亿美元拿下低代码平台,背后究竟有多大价值？
杨志强：技术大神给工控工程师快速成长的六点建议
许斌：谁是数字化时代的真心英雄？
宋华振：谈谈工程师文化
梁智斌：我在国外亲历的一次工业安全事故
邓李老师谈PAC编程：系统越先进编程越简单
杨志强：工程师如何远离“技术性失业”？
宋华振：大话预测性维护
郭宁：5G将如何改变工业？
彭瑜：边缘可编程控制器是OT-IT融合的利器
杨志强：搞自动化也需要全栈工程师么？