压力表基础知识

压力表基础知识——从测量原理到应用管理的系统讲解PAGE12压力表是工业生产和过程控制中使用最广泛、数量最多的压力测量仪表。它通过弹性元件或其他传感元件感受被测介质的压力，并将其转换为指针位移或电信号，从而直观地显示压力数值。无论是化工、石油、电力、冶金、制药，还是暖通、给排水、食品、航天等领域，压力表都承担着实时监测、安全防护和计量控制的关键职能。掌握压力表的基础知识，是工程技术人员、仪表维护人员以及设备管理人员的必备技能。本文从压力与压力测量的基本概念入手，系统阐述压力表的分类、工作原理、结构组成、技术参数、选用安装、使用维护、检定校准及安全管理，力求全面、准确、实用。一、概述（一）压力表的定义与作用压力表是指以弹性元件为敏感元件，用于测量高于或低于大气压力的流体压力的仪表。广义而言，凡能测量并指示压力的仪表均可称为压力表。压力表的基本作用主要有三：一是实时显示工艺系统中的压力状态，为操作人员提供直观依据；二是为自动控制系统提供压力信号，参与过程控制与联锁保护；三是作为安全防护附件，防止超压运行引发事故。压力表测量结果的准确与否，直接影响产品质量、生产效率与设备安全。（二）压力表的应用领域压力表广泛应用于各类流体介质的压力测量，包括气体、液体和蒸汽。典型应用领域有：化工与石化装置的工艺管线及反应容器；电站锅炉与汽轮机组的蒸汽系统；冶金与建材工业的炉窑和液压系统；制药与食品工业的洁净与灭菌设备；石油天然气的开采与储运；市政供排水、供暖供气；制冷与空调系统；各类压缩空气、液压与气动系统；航空航天与军工装备等。在锅炉、压力容器、压力管道等特种设备上，压力表更是不可或缺的安全附件。（三）压力表的发展简述压力测量的历史可追溯到十七世纪。1643年，意大利物理学家托里拆利利用水银柱测量大气压力，制成了最早的气压计，奠定了液柱式压力测量的基础。此后，随着工业革命的推进，1849年法国人波登发明了弹簧管（波登管），以其结构简单、耐压较高、可直接指示的优点迅速普及，至今仍是通用压力表的主流形式。进入二十世纪，膜片式、膜盒式、波纹管式等弹性元件相继发展；随着电子技术兴起，应变式、压阻式、电容式等电测压力仪表以及智能压力变送器逐渐成熟，实现了压力的远传、数字化与网络化测量。尽管如此，就地指示的弹性元件式压力表凭借其可靠性、经济性和直观性，在工业生产中仍占据不可替代的地位。二、压力与压力测量基础（一）压力的物理概念1.压力的定义压力在物理学上定义为垂直作用在单位面积上的力，即压强。其表达式为p＝F/S，式中p为压力，F为垂直作用力，S为受力面积。国际单位制中，压力的单位为帕斯卡（Pa），一帕斯卡等于一牛顿力均匀作用在一平方米面积上所产生的压强。2.绝对压力、表压力与真空度以绝对真空（零压）为基准计量的压力称为绝对压力；以当地大气压为基准计量的压力称为表压力。当被测压力高于大气压时，表压力等于绝对压力与大气压之差；当被测压力低于大气压时，仪表显示的是负压，其绝对值称为真空度。工程上所说的压力，若无特别说明，通常指表压力。压力真空表既可测量正压，也可测量真空。3.差压两个压力之差称为差压，测量差压的仪表称为差压计。差压测量在节流装置流量测量、容器液位测量、过滤阻力监测等场合应用广泛。（二）压力的单位及换算工程中曾使用多种压力单位，如帕斯卡（Pa）、千帕（kPa）、兆帕（MPa）、巴（bar）、工程大气压（kgf/cm²）、毫米汞柱（mmHg）、标准大气压（atm）、磅力每平方英寸（psi）等。目前国际单位制统一采用帕斯卡及其倍数单位，我国法定计量单位也以帕斯卡为准。常用压力单位的换算关系如表1所示。实际工作中，应根据使用习惯与标准要求正确选用单位，并注意换算的准确性。表1常用压力单位换算关系单位与帕斯卡的换算关系1千帕（kPa）1kPa＝1000Pa1兆帕（MPa）1MPa＝1000000Pa1巴（bar）1bar＝100000Pa＝0.1MPa1工程大气压（kgf/cm²）1kgf/cm²≈98.0665kPa≈0.0981MPa1标准大气压（atm）1atm≈101.325kPa≈0.1013MPa1毫米汞柱（mmHg）1mmHg≈133.322Pa1磅力每平方英寸（psi）1psi≈6.8948kPa（三）压力量值的传递与溯源为保证压力测量结果的准确一致，我国建立了完整的压力量值传递体系。国家压力基准用于复现和保存压力单位量值，并逐级传递至各等级的标准压力仪表，最终检定和校准工作用压力表。工作用压力表通过周期性检定，与国家基准量值保持一致，从而实现量值的溯源。这一体系是压力表计量管理的基础。三、压力表的分类（一）按工作原理分类1.液柱式压力计液柱式压力计利用液柱产生的静压力平衡被测压力，通过液柱高度指示压力值，如U形管压力计、单管压力计、斜管微压计。其结构简单、精度较高，适用于低压和差压测量，但量程有限，多用于实验室和就地校验。2.弹性元件式压力表弹性元件式压力表利用弹性元件在压力作用下产生弹性变形的原理测量压力，按弹性元件形状分为弹簧管（波登管）压力表、膜片压力表、膜盒压力表和波纹管压力表。其中弹簧管压力表应用最广，是通用压力表的代表。3.活塞式压力计活塞式压力计利用作用在已知面积活塞上的重力与被测压力相平衡的原理测量压力，测量准确度高，常用作标准压力计，用于检定和校准其他压力仪表。4.电测式压力仪表电测式压力仪表利用压力敏感元件将压力转换为电参量（如电阻、电容、电感、频率等）进行测量，如应变式、压阻式、电容式压力传感器及压力变送器。其输出标准电信号，便于远传、显示、记录与自动控制。（二）按测量范围分类按测量范围，压力表可分为微压表、低压表、中压表、高压表与超高压表。一般以工作压力所处区间划分：微压表测量数百帕至数十千帕；低压表测量数十千帕至数兆帕；中压表与高压表覆盖数兆帕至数十兆帕；超高压表可测量数百兆帕以上的压力。选用时应使被测压力落在仪表量程的合适区间。（三）按精度等级分类按精度等级，压力表分为一般压力表和精密压力表。一般压力表的精度等级通常为1.0、1.6、2.5、4.0级，用于普通工业测量；精密压力表的精度等级为0.1、0.16、0.25、0.4级等，用于标准传递、精密测量与校验。精度等级数值越小，允许误差越小，测量越准确。（四）按用途与功能分类按用途和功能，压力表可分为普通压力表、耐震压力表、隔膜（膜片隔离）压力表、电接点压力表、防爆电接点压力表、氨用压力表、氧气压力表、真空表、压力真空表、数字压力表等，分别适应不同的介质、环境与控制需求。四、弹性元件式压力表的工作原理与结构（一）弹性元件的压力-变形特性弹性元件是弹性元件式压力表的敏感元件。当被测压力作用于弹性元件时，元件产生弹性变形，其变形量在弹性限度内与所受压力近似成正比。通过传动放大机构将变形量放大并转换为指针的角位移，即可在刻度盘上指示压力值。弹簧管、膜片、膜盒、波纹管是四种最基本的弹性元件，分别适用于不同的量程与介质。（二）弹簧管（波登管）压力表1.工作原理弹簧管是一根弯成圆弧形的空心金属管，其截面呈扁椭圆形或卵圆形。当管内通入被测压力时，管的截面趋于圆化，使弯管产生向外伸张的变形，自由端产生位移。自由端位移通过拉杆和扇形齿轮—中心齿轮传动机构放大，带动指针在刻度盘上偏转，指示被测压力值。压力卸除后，弹簧管依靠自身弹性恢复原状，指针随之回零。2.主要结构组成弹簧管压力表主要由接头、弹簧管、传动放大机构（包括拉杆、扇形齿轮、中心齿轮及游丝）、指针、刻度盘、表壳和罩圈等组成。游丝用于消除传动机构的间隙，保证示值稳定。接头用于连接被测介质，其螺纹规格与密封形式根据介质和压力选取。表壳起保护作用，其防护等级根据使用环境确定。（三）膜片式、膜盒式与波纹管式压力表膜片式压力表以圆形波纹膜片为弹性元件，适用于测量腐蚀性、高粘度或易结晶介质的压力，常与隔离膜片配合使用。膜盒式压力表以膜盒为弹性元件，变形量较大，适用于低压和微压测量。波纹管式压力表以波纹管为弹性元件，压力—位移特性线性度好、灵敏度高，适用于低压测量，并常用于差压与液位测量。（四）量程与刻度盘刻度盘按仪表量程等分标度，标注压力单位，盘面设有零位、测量上限和分度线。对于压力真空表，零点位于刻度盘中部，左侧为真空度，右侧为正压。刻度盘的清晰度与分度值直接影响读数准确度，选用时应保证分度值满足读数精度要求。五、压力表的主要技术参数与性能指标（一）量程量程是指压力表所能测量的压力范围，由测量下限和测量上限界定。量程的选取应使正常工作的被测压力处于量程的合适比例，通常取仪表量程的三分之一至三分之二之间，以保证测量精度和弹性元件的使用寿命。量程越大，在同等精度下允许误差的绝对值也越大。（二）精度等级与允许基本误差精度等级是压力表允许基本误差的最大百分数，表示测量结果与真实值之间允许的最大偏差。允许基本误差按仪表测量上限（量程）的百分数计算。例如，1.6级的压力表，其允许基本误差为测量上限值的正负1.6%。一般压力表的精度等级按GB/T1226—2017《一般压力表》的规定划分，精密压力表按GB/T1227—2017《精密压力表》的规定划分。精度等级越高（数值越小），测量越准确，成本也越高，故应在满足使用要求的前提下合理选择。常用精度等级及其对应的允许基本误差如表2所示。表2压力表常用精度等级与允许基本误差精度等级允许基本误差（以测量上限百分数计）0.1正负0.1%0.16正负0.16%0.25正负0.25%0.4正负0.4%1.0正负1.0%1.6正负1.6%2.5正负2.5%4.0正负4.0%（三）回差（变差）回差是指在同一压力点上，压力表升压和降压时所指示值的最大差值。回差主要由弹性元件滞后和传动机构间隙引起，反映了仪表的重复性和可靠性。回差过大，表明仪表存在卡滞或游丝失效等问题。（四）轻敲位移轻敲位移是指在外界轻敲仪表外壳后，指针示值所产生的位置变化。轻敲位移反映传动机构的间隙与摩擦状况，过大会影响读数准确性，检定中需加以控制。（五）指针偏转与示值稳定性压力表在加载和卸压过程中，指针应平稳偏转，无跳动、卡滞和明显摩擦。在额定压力下保压一定时间后，指针示值应保持稳定，不随时间明显漂移。示值稳定性是判断仪表工作是否正常的重要依据。（六）环境适应性与防护等级压力表应能适应一定的环境温度、湿度和振动条件。耐震压力表内部充注阻尼液，可减小振动和脉动对示值的影响。防护等级（如IP等级）表示仪表防尘、防水的性能，应根据安装环境选择。对于腐蚀性环境，应选用耐腐蚀材质或隔离式压力表。六、压力表的选用（一）选用原则压力表选用的总体原则是：安全可靠、测量准确、经济合理、便于维护。应综合考虑被测介质的性质（腐蚀性、粘度、温度、洁净度）、压力范围及其变化特性（稳定、脉动）、精度要求、安装环境（温度、振动、防爆、防护）以及功能需求（就地指示、信号输出、报警联锁）等因素。（二）量程的确定量程的确定以保证测量准确和运行安全为要。对于稳定压力，正常操作压力宜为仪表量程的三分之二左右；对于脉动压力，正常操作压力宜为量程的二分之一左右；测量压力一般不应超过量程的四分之三，以保证弹性元件处于安全应力范围。同时应考虑可能出现的最高压力，预留足够的超压裕量。真空场合选用真空表或压力真空表，其量程应覆盖工作负压范围。（三）精度等级的确定精度等级的选择取决于测量对准确度的要求。一般工艺监控场合选用1.6级或2.5级即可满足要求；需要精确控制的场合选用1.0级；用于计量结算、安全防护或作为标准器时，应选用精密压力表或更高精度的仪表。精度要求提高，仪表成本随之上升，应避免盲目追求高精度。（四）材质与介质适应性选择被测介质为腐蚀性介质时，应选用耐腐蚀材质或采用隔膜（膜片隔离）压力表；介质为高粘度、易结晶、易凝固或含固体颗粒时，宜选用隔膜压力表，使被测介质与弹性元件隔离；对氧气、氢气等特殊介质，应选用专用压力表并遵守相应的安全要求，防止油脂与介质发生危险反应。氨用压力表、氧气压力表的制造与使用均有专门规定。（五）环境与安装条件选择振动较大的场合应选用耐震压力表；高温环境应加装散热器或选用耐高温结构，避免弹性元件直接承受过高温度；露天或潮湿环境选用防护等级较高的仪表；有爆炸性危险的场所应选用防爆型电接点压力表，并符合相应的防爆规定。（六）特殊工况与附加功能需要就地越限报警或参与联锁控制时，选用电接点压力表，其电接点可按设定压力接通或断开控制电路。需要远传指示时，选用带变送功能或数字输出的压力仪表。需要记录压力历史趋势时，可选用带记录功能的压力记录仪表或智能压力变送器接入监控系统。七、压力表的安装（一）安装位置的选择压力表应安装在便于观察、维护和检修的位置，表盘中心距地面高度宜为1.4米至1.8米，便于操作人员平视读数。安装点应远离热源、振动源和强烈冲刷的介质流，避免阳光直射和雨淋。取压位置应选在介质流动平稳、能真实反映被测压力之处，避免安装在管道弯头、死角或产生涡流的位置。（二）安装方式与连接压力表通过接头与取压管或管道连接，常见连接方式有螺纹连接和法兰连接。安装时应使用合适的密封垫片，保证密封可靠；对螺纹连接，应选用与仪表匹配的扳手，防止损伤表接头。压力表宜垂直安装，使表盘处于便于读数的方向，需要时可通过接头或延长杆调整方向。用于测量蒸汽、高温介质时，应在压力表与测点之间加装存水弯管或散热装置，使仪表免受高温影响。（三）取压点与导压管设置取压点的设置应使导压管内的介质能顺利传递压力。测气体时，取压点宜位于管道上方，便于气体进入导压管；测液体时，取压点宜位于管道侧下方，避免气体进入；测蒸汽时，取压点宜位于管道侧面。导压管应尽可能短而直，避免过长或过多弯头造成压力传递滞后。导压管和取压阀应有足够的通径，避免堵塞。（四）安装中的安全注意事项安装涉及带压介质时，应先关闭取压阀或采取泄压措施，防止高压介质喷出伤人。安装完成后应检查密封是否良好，经试压无泄漏后方可投用。用于安全防护的压力表，安装前应确认其在检定有效期内，并粘贴检定合格标志。对承压设备上的压力表，安装与拆卸应遵守特种设备安全操作规程。八、压力表的使用与维护（一）正确使用方法使用压力表前，应核对仪表的量程、精度、单位及适用范围是否与工艺要求相符，并确认仪表在检定有效期内。投用时缓慢开启取压阀，使压力平稳上升，避免骤然冲击损坏弹性元件。读取示值时，视线应与刻度盘垂直，避免视差；对指针式仪表，应读到最小分度值的相应位数。测量过程中应注意观察指针是否平稳，有无跳动、卡滞或明显漂移。（二）日常维护要点应定期检查压力表外观是否完好，指针能否自由回零，接头有无渗漏，玻璃罩是否清晰。对用于腐蚀性或易结晶介质的压力表，应定期清洗取压管路，防止堵塞。对耐震压力表，应检查阻尼液是否充足。检定到期前应及时送检或更换，不得超期使用。仪表出现异常时，应立即停止使用并检修。（三）常见故障及处理方法压力表常见故障包括指针不回零、示值偏高或偏低、指针跳动、卡滞、渗漏、表面玻璃破碎等。常见故障及其可能原因、处理方法见表3。处理故障应遵循安全第一的原则，涉及带压系统时应先隔离泄压。表3压力表常见故障及处理方法故障现象可能原因处理方法指针不回零弹性元件永久变形、游丝失效、指针松动检查并更换弹性元件或游丝、紧固指针，必要时送修示值偏高传动机构磨损、指针装配不当检修传动机构、重新校准示值偏低弹簧管渗漏、机芯卡滞更换弹簧管或检修机芯指针跳动介质脉动剧烈、机芯啮合不良加装阻尼器或改用耐震表、检修机芯指针卡滞异物进入、齿轮损坏、表盘摩擦清洁表内、更换损坏零件接头渗漏密封垫失效、螺纹损伤更换密封垫、修复螺纹表面玻璃破碎外力碰撞、温度骤变更换表玻璃（四）使用寿命与更换压力表是易损计量器具，其使用寿命受介质、压力波动、环境腐蚀等因素影响。当仪表出现无法修复的故障、经检定精度不合格，或达到更换条件时，应及时更换。更换的新表应符合原设计要求的量程、精度和连接方式，并保证在检定有效期内。九、压力表的检定与校准（一）检定依据与适用范围压力表的检定依据国家计量检定规程进行。一般压力表依据JJG52—2013《弹性元件式一般压力表、压力真空表和真空表》检定规程，精密压力表依据JJG49—2013《弹性元件式精密压力表和真空表》检定规程。检定由法定计量检定机构或经授权的机构实施，检定合格的压力表方可使用。（二）检定周期压力表的检定周期根据其用途和规程要求确定。用于安全防护等强制检定范围的压力表，检定周期一般不超过六个月；一般工业用压力表可按非强制检定或校准方式管理，检定或校准周期由使用单位根据使用频度、重要性及历史状况自行确定，但通常不超过一年。具体周期以检定规程、检定证书及强制检定要求为准。（三）检定项目与方法压力表检定项目主要包括外观检查、示值误差、回差、轻敲位移、指针偏转及零点等。检定采用标准压力源与标准压力计（如精密压力表或活塞式压力计）对被检表施加压力，按量程选取若干检定点，分别在升压和降压过程中读取被检表示值，与标准值比较，计算示值误差、回差等指标。（四）检定结果处理与合格判定检定后，各检定项目均符合规程要求且