压力表

背景

现代世界中的许多过程都涉及加压液体和气体系统的测量和控制。这种监控反映了某些性能标准，必须对其进行控制以产生所需的过程结果并确保其安全运行。锅炉、炼油厂、供水系统和压缩气体系统只是压力表众多应用中的一小部分。

机械压力指示仪表或压力表由弹性压力元件组成；一种称为“套接字”的螺纹连接方式；称为“运动”的扇形和小齿轮机构；以及保护壳、表盘和观察镜组件。弹性压力元件是由于压力的影响而实际发生位移或移动的构件。如果设计得当，该压力元件既高度准确又可重复。压力元件连接到齿轮式“运动”机构，该机构又通过刻度盘旋转指针。观察者用来确定压力指示的是指针相对于刻度的位置。

最常见的压力表设计是由法国实业家 Eugene Bourdon 于 1849 年发明的。它采用弯管设计作为压力传感元件。一种不太常见的压力元件设计是隔膜或圆盘类型，它在较低压力下特别敏感。本文将重点介绍波登管压力表。

设计

在波登管规中，“C”形空心弹簧管在一端封闭并密封。另一端被牢固地密封并粘合到插座，即螺纹连接装置。当压力介质（如空气、油或水）通过承口进入管子时，由内向外的压差使管子移动。人们可以将这种运动与用水加压时软管展开，或者当空气吹入时展开的派对口哨相关联。这种运动的方向由管子的曲率决定，内半径略短于外半径。特定量的压力会导致“C”形打开或拉伸特定距离。当压力消除时，管材料的弹簧特性使管恢复到其原始形状，并且尖端恢复到其相对于插座的原始位置。

原材料

压力表管由多种材料制成，但这些材料的共同设计因素是 弹簧回火的适用性。 这种回火是热处理的一种形式。它使金属紧密地保持其原始形状，同时允许在负载下弯曲或“弹性”。几乎所有金属都具有一定程度的弹性，但弹簧回火强化了这些理想的特性。铍铜、磷青铜及各种合金钢和不锈钢 都是优秀的波登管。选择的材料类型取决于其对工艺介质（水、空气、油等）的腐蚀特性。由于腐蚀，钢的使用寿命有限，但对于油来说就足够了；如果不需要特定的耐腐蚀性，不锈钢合金会增加成本；铍铜通常保留用于高压应用。大多数仪表打算 制造压力表的关键步骤是制作 C 形波登管。在这一步中，金属管被拉过自动滚压机上的带槽滚轮。一个滚轮抓住管道末端并形成内半径，而另一个提供外部压力以保持与管道的均匀接触。抓住和弯曲管道的同一个滚轮也包含一个锯片。当滚轮在产生弯曲后继续转动时，其上的锯片将管材切割成适当的长度。对于空气、轻油或水的一般用途，请使用磷青铜。管子的压力范围由管子壁厚和曲率半径决定。仪器设计人员必须使用精确的设计和材料选择，因为超过弹性极限会破坏管子，从而失去精度。

插座通常由黄铜、钢或不锈钢制成。轻量级仪表有时使用铝，但这种材料的压力服务有限，并且难以通过焊接或铜焊连接到波登管。挤压和轧制棒材形状是最常用的。

机芯机构由玻璃填充的聚碳酸酯、黄铜、镍银或不锈钢制成。无论使用哪种材料，它都必须稳定并允许无摩擦组装。黄铜以及黄铜和聚碳酸酯的组合最受欢迎。

为了保护波登管和机芯，该组件被封装在一个外壳和观察镜中。用于为观察者提供压力指示的表盘和指针几乎由所有基本金属、玻璃和塑料制成。铝、黄铜和钢以及聚碳酸酯和聚丙烯制成出色的仪表外壳和表盘。大多数镜片由聚碳酸酯或丙烯酸制成，出于明显的安全原因，它们比玻璃更受欢迎。对于严苛的服务应用，外壳被密封并填充甘油或硅油。这种流体可以缓冲管子和运动，防止受到冲击和振动的损坏。

波登管制成后，其封闭端通过钎焊、钎焊或焊接连接到插座上。在组装过程中，波登管的自由端被精确定位，然后密封，通常是通过一些用于将管连接到插座的装置。
一旦波登管和插座组件固定好，'C' 无支撑端的尖端连接到尾端件。该端件包含一个小孔，将尖端连接到齿轮运动机构。其他组件——机芯、指针和表盘——然后作为一个组组装到插座上。

制造
过程

制作波登管

• 1 波登管是仪器中最重要的部分。管子可以由实心棒料制成，方法是将长度钻孔到所需的内径，然后在车床上车削外径以获得适当的壁厚。然而，大多数通用仪表使用从金属供应商处购买的预制管。量规构建器指定所需的壁厚、材料、配置和直径。供应商提供 10 到 12 英尺（3 到 3.65 米）长的材料，准备生产。
• 2 大多数制造商都严密保护专有的滚压方法，用于将管子滚压成“C”形。管的“C”形一般在自动卷板机中成型。该机器包含两个精密的动力辊，管材从中穿过。一个滚轮抓住管道末端并形成内半径，而另一个提供外部压力以保持与管道的均匀接触。每个滚轮都有一个凹槽，安装在管子的外面；这些凹槽允许管道保持其圆形而不是变平。在轧制过程中，钢心轴（一根将管子引导到滚子中并帮助其保持形状的杆）首先通过管子的自由端插入并正好位于滚子之前。该润滑的心轴具有所需的椭圆形内部形状。然后管子穿过心轴和辊子之间。一个滚轮包含一个夹子，可以夹住管子；当滚轮转动时，它会拉动管子并将其弯曲成“C”形。
• 3 抓取和弯曲管道的同一个滚轮还包含一个锯片。当滚轮在产生弯曲后继续转动时，其上的锯片将管材切割成适当的长度。然后将管材在烘箱中进行热处理。

其他组件

• 4 插座基本上是一块金属，用作压力介质源的连接器；表壳、表盘和机芯的底座；并作为波登管的连接槽。插座的一端带有螺纹，这允许将其拧入提供压力的装置中。承窝可由棒料铸造、锻造、挤压或机加工而成。大多数套筒是在自动加工中心上制造的，这些加工中心在一个循环中完成车削、钻孔、铣削和螺纹加工。一般加工实践适用于大多数套筒制造。
• 5 机芯是齿轮机构，包含小齿轮（旋转轴）、扇形、支撑板、游丝和间隔柱。该机构将波登尖端的线性位移转换为旋转运动，并提供校准调整的手段。指针固定在旋转轴或小齿轮上，并扫过指示压力量的刻度盘。大多数机芯都提供给仪表制造商以备使用。机芯组件的生产采用多种制造工艺，完成后的机械装置工艺与发条非常相似。
• 6 表壳、表盘和指针可以是钣金冲压件、塑料成型件或铸件。冲压件和模具几乎不需要进一步加工，但铸件需要进行一些机械加工——例如修剪多余的材料——以满足最终要求。这些组件按要求涂漆，表盘上印有适当的艺术品。使用常用的印刷方法，同时使用胶印和直接方法。镜片最常见的是通过注塑成型制成的塑料部件，将塑料加热至熔融状态，然后倒入所需形状的模具中。将镜片固定和密封到外壳上的连接特征设计在模具中。玻璃镜片仍在使用，但必须由某种类型的环固定。由于破损的安全问题，玻璃已经失宠。

总装

• 7 波登管制成后，其封闭端通过钎焊、铜焊或焊接连接到插座上。在组装过程中，布尔登管的自由端被精确定位，然后密封，通常采用将管连接到插座的相同方式。一旦波登管和插座组件固定好，“C”形无支撑端的尖端连接到端件上。该端件包含一个小孔，将尖端连接到齿轮运动机构。 Bourdon 尖端在其压力范围内不会移动很远的距离，通常为 0.125 到 0.25 英寸（0.31 到 0.63 厘米）。可以理解，压力越大，尖端移动得越远。其他组件——机芯、指针和表盘——然后作为一个组组装到插座上。

校准

校准发生在仪表最终组装到保护壳和镜头之前。由套筒、管和机芯组成的组件连接到具有已知“主”压力表的压力源。 “主”仪表只是已知校准的高精度仪表。在组件中进行调整，直到新仪表反映与主仪表相同的压力读数。 2% 差异的精度要求很常见，但有些可能是 1%、0.5% 甚至 0.25%。准确度范围的选择完全取决于所需信息对过程控制和安全的重要性。大多数制造商使用刻度盘，具有从零到全范围的 270 度扫描。这些刻度盘的直径可以从不到 1 英寸（2.5 厘米）到 3 英尺（0.9 米），最大的通常用于极端精度。通过增加表盘直径，刻度线周围的周长更长，从而可以进行许多精细分割的标记。这些大型仪表通常非常脆弱，仅用于主用途。使用自重测试仪定期检查船长本身的准确性，这是一种非常精确的液压设备，可追溯到美国国家标准局。

有趣的是，当仪表制造业务处于起步阶段时，压力元件的理论设计仍在发展中。波登管采用非常通用的设计参数制造，因为每根管都经过压力测试以确定其适用的服务范围。人们不知道轧制和热处理过程会产生什么样的压力范围，因此这些仪器在校准时针对特定应用进行分类。今天，随着计算机建模的发展和数十年的经验，现代波登管被精确地轧制成特定尺寸，几乎不需要校准。现代校准可以由计算机使用电子控制的机械调节器来调整组件来执行。不幸的是，这消除了工匠大师坐在校准台上的形象，将一个精致的手表式机芯微调到极致。一些仪器维修店仍然在执行这项独特的工作，这些漂亮的压力表与多年前由大师级工匠创造的钟表不相上下。

应用与未来

校准后的仪表组装和包装后，将分发给设备制造商、服务公司和测试实验室，用于许多不同的应用。这些不同的应用说明了外壳和镜头外壳的设计范围很广。插座可以从背面、顶部、底部或侧面进入外壳。一些表盘由用于打印刻度的发光墨水或连接到外部电源的小灯照亮。用于高压服务的仪表通常采用“死前”安全设计，这是一种表壳设计特征，在波登管和表盘之间放置了相当厚的表壳材料。如果波登管因压力过大而破裂，此屏障可保护仪器观察者免受仪表碎片的影响。内部外壳设计将这些高速部件引导出仪表背面，远离观察者。许多应用涉及将仪表直接安装到正在运行的机器上，从而需要进行液体填充。未填充的仪表很快就会受到振动的破坏性影响。特殊的安装法兰固定在外壳上，以允许独立于压力管道的面板和表面安装。表壳和镜片材料经过精心挑选，可应对各种恶劣或受污染的环境，并通过各种方式进行密封，以防止水分和污染物进入机芯。

未来压力表的使用似乎取决于快速增长的电子传感器行业。这些传感器是提供电信号的电子元件，基本上没有移动部件。如今，许多仪表已经将这些传感器安装在外壳内，以将信息发送到过程控制计算机和控制器。这些传感器本质上是安全的，允许在易燃或易爆环境中使用。近年来，由于需要防止过程介质意外释放，其中许多对环境有害，因此整个过程控制问题有所增加。随着环境问题的增加，这种接口将成为需求，而机械仪表可能会失宠。但是，机械式仪表不需要电子传感器所需的电源或计算机设备。这使得该仪表对于大多数一般用途具有成本效益，并且正是在这一领域，行业预计将继续蓬勃发展。