工业与安全应用精密压力表

背景

现代世界许多过程涉及加压液体和气体系统的测量与控制。此监控反映必须控制的特定性能准则，以产生工艺预期结果并确保安全运行。锅炉、炼油厂、水系统、压缩气体系统仅为压力表众多应用冰山一角。

机械压力指示仪表，即压力表，由弹性压力元件；称为“接头”的螺纹连接件；称为“机芯”的扇形齿轮机构；及保护壳、表盘、观察透镜组件组成。弹性压力元件是因压力影响实际位移或移动的构件。设计得当时，该元件兼具高精度和重复性。压力元件连接齿轮“机芯”机构，转而带动指针在刻度盘上转动。观察者据指针相对刻度位置读取压力指示。

最常见压力表设计由法国实业家Eugene Bourdon于1849年发明。采用弯管设计作压力敏感元件。较少见膜盒/盘式压力元件，对低压特别敏感。本文聚焦波登管压力表。

设计

波登管压力表中，一端封闭密封的“C”形中空弹簧管。另一端牢固密封粘接于接头——螺纹连接件。当压力介质（如空气、油、水）经接头入管，内外压差致管移动。可类比加压水管解卷、吹气派对哨解卷。移动方向由管曲率决定，内径略短于外径。特定压力致“C”形张开或拉伸特定距离。除压力后，管材弹簧特性使管回原形、尖端相对接头回原位置。

原材料

压力表管用多种材料，但这些材料共同设计因素是适合弹簧回火。此回火为热处理形式。使金属紧贴原形同时允许负载下弹性挠曲。几乎所有金属有一定弹性，但弹簧回火强化这些理想特性。铍铜、磷青铜、各种钢和不锈钢合金均制优良波登管。材料选择取决于其对工艺介质（水、气、油等）耐腐蚀性。钢因腐蚀寿命有限但用油足矣；不锈钢合金若无特定耐腐蚀需求则增加成本；铍铜通常保留高压应用。多数通用空气、轻油、水表用磷青铜。管压力范围由管壁厚度和曲率半径决定。仪表设计师须精准设计选材，因超弹性极限将毁坏管并失准。

接头通常黄铜、钢、不锈钢制。轻量表有时用铝，但压力承受有限且难焊接钎焊波登管。挤压件和轧制棒料最常用。

机芯机构用玻璃填充聚碳酸酯、黄铜、镍银、不锈钢。无论何材料，须稳定且允许无摩擦组装。黄铜和黄铜聚碳酸酯组合最流行。

为保护波登管和机芯，组件封入壳体和观察透镜。表盘和指针供观察者读压力指示，可用几乎所有基础金属、玻璃、塑料。铝、黄铜、钢、聚碳酸酯、聚丙烯制优良表壳和表盘。多数透镜用聚碳酸酯或亚克力，因安全原因优于玻璃。严苛工况应用中，壳体密封灌甘油或硅油。此流体缓冲管和机芯抗冲击振动损伤。

制造工艺

制作波登管

• 1 波登管为仪表最关键部件。管可由实心棒料钻孔达所需内径、车床车外径达适当壁厚制得。但多数通用表用金属供应商采购预成型管。表厂指定壁厚、材料、构型、直径。供应商供10-12英尺（3-3.65米）长料，可直接生产。
• 2 多数厂商有严守专有轧制法将管轧成“C”形。管“C”形通常在自动轧机成型。机含两精密动力辊，管穿过其间。一辊夹管端成内径，另辊施外压保持管均匀接触。每辊含适配管外径凹槽，使管保持圆形而非压扁。轧制中，钢芯轴——引导管入辊助保形的棒——先插入管自由端定位于辊前。此润滑芯轴为所需椭圆内形。管跨过芯轴穿过辊间。一辊含夹持管的卡爪；辊转动拉管弯成“C”形。
• 3 夹持弯管的同一辊含锯片。弯成型后辊续转，其上锯片切管至适当长度。管随即进炉热处理。

其他部件

• 4 接头基本为金属块，作压力介质源连接件；壳体、表盘、机芯安装座；波登管连接槽。接头一端螺纹，允许拧入供压装置。接头可铸造、锻造、挤压、棒料加工。多数接头在自动加工中心一次循环完成车、钻、铣、攻丝。通用加工实践适用多数接头制造。
• 5 机芯为齿轮机构含小齿轮（旋转轴）、扇齿、支撑板、游丝、间隔柱。机构将波登管尖端近似线性位移转为旋转运动，并提供校准调节手段。指针固定旋转轴/小齿轮，扫过刻度盘指示压力值。多数机芯成品供表厂直接用。多种制造工艺产出机芯部件，完成工艺酷似钟表机芯。
• 6 壳体、表盘、指针可为钢冲压件、塑料模件、铸件。冲压模件少后续加工，铸件需些机加工——如修整余料——达最终要求。按需喷漆，表盘印制相应图案。通用印刷实践用胶印和直接法。透镜最常为注塑塑料件，塑料熔融浇入模具成型。固定密封透镜于壳体的连接特征设计于模具中。玻璃透镜仍用但须环扣固定。玻璃因破碎安全问题逐渐弃用。

最终组装

• 7 波登管成后，其闭合端焊接、钎焊或焊接接头。组装中精准定位管自由端并密封，通常用连接管接头同法。波登管接头组件固定后，“C”形无支撑端尖连接端件。端件含小孔连接尖端至齿轮机芯机构。其他组件——机芯、指针、表盘——作为一组装上接头。

校准

校于最终组装表壳透镜前进行。含接头、管、机芯的组件连接已知“标准”表的压力源。“标准表”即已知校准的高精度表。调整组件直至新表读数与标准表一致。精度要求2%差异常见，也有1%、0.5%、甚至0.25%。精度范围选择仅取决于所需信息对工艺控制安全的重要性。多数厂商用270度扫描零至满量程刻度盘。直径从<1英寸（2.5厘米）至3英尺（.9米），最大者典型用于极高精度。增大表盘直径使刻度线周长变长，允许更多精细分度。此类大表通常极脆弱，仅作标准表用。标准表本身定期用砝码测试仪——可溯源美国国家标准局的高精度液压装置——检验精度。

有趣的是，压力表制造业起步期，压力元件理论设计仍发展中。波登管按极通用设计参数制造，因每管经压力测试确定适用服务范围。不知轧制热处理将产生何种压力范围，故校准时按具体应用分拣。今日，计算机建模和数十年经验使现代波登管精准轧制至特定尺寸，需极少甚至无校准。现代校准可由计算机用电子控制机械调节器调整部件完成。遗憾的是这消除了大师工匠坐校准台精调精密钟表机芯般细调的形象。些仪表维修店仍从事此独特工作，这些美丽压力表与大师昔年创作的钟表齐名。

应用与未来

校准表组装包装后，分发至设备制造商、服务公司、测试实验室用于多种应用。这些多变应用解释壳体透镜外壳设计宽范围。接头可从背、顶、底、侧入壳。些表盘用发光油墨印刻度或接微灯外部电源发光。高压服务表通常为“死前面”安全设计，壳体设计特征在波登管和表盘间置相当厚度壳材。此屏障保护观察者免波登管因超压破裂碎片伤害。内部壳设计导高速碎片向后排出远离观察者。多应用涉及直接安装表于运行机械，致需灌液。未灌液表快速屈于振动破坏。特殊安装法兰固定壳体允许面板和表面安装独立于压力管路。壳体透镜材料选用应对各种滥用或污染环境，以各种方式密封防潮和污染物入机芯机构。

压力表未来用途似依赖快速增长的电子传感器行业。这些传感器为电子元件，提供电信号且基本无运动部件。许多表现已内置此类传感器向过程控制计算机和控制器发送信息。传感器本质安全，允许易燃爆炸环境用。整个过程控制问题近年因防止工艺介质意外释放（多有害环境）需求增长。随环保关注加剧，此接口将受追捧，机械表可能失宠。然而机械表不需电子传感器所需电源和计算机设备。这使表对大多数通用用途具成本效益，行业预期此领域继续繁荣。