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方原柏:歷史悠久的就地壓力表有何發展趨勢?

振動傳感器 2020-07-15 240 0

1 概述

最早出現的儀器儀表應該是一些就地儀表,如就地壓力表、就地溫度表、就地流量儀表等等,這是因為生產規模小,就地顯示能滿足監視生產設備主要參數的工藝要求。以就地壓力表為例,在歐洲第一次工業革命(時間大致在十八世紀六十年代到十九世紀四十年代)末期的1830年“火箭”號蒸汽機車問世,1844年威廉·費阿柏恩發明蘭開夏臥式雙火筒蒸汽鍋爐,并在各個領域中推廣應用。但是由于缺乏合適的蒸汽壓力測量儀表,常發生爆炸事故。1850年前后(資料記載的時間從1847~1852年不等),法國的天才機械師E.波登(Eugene Bourdon,1803~1884)發明一種就地壓力表,這是用一端固定的“C”型金屬管來感受壓力變化,后人就將這種結構的壓力表測量元件稱為波登管。 “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傳動桿、扇形齒輪帶動指針旋轉,看指針在刻度盤上的位置就可以讀出壓力值(見圖1)。在許多工藝過程中,壓力是一個關鍵的測量指標,用波登管壓力表進行就地壓力測量,操作和維護設備的工人就可以經常查看、讀取和記錄壓力測量值,這對于促進當時的鍋爐和蒸汽機的發展以及在各行各業的壓力監測具有很重要的作用。

圖1  波登管就地壓力表外觀及內部結構圖

1-刻度盤;2-指針;3-波登管;4-傳動桿;5-扇形齒輪

直到二十世紀上半葉,人們才在波登管就地壓力表的基礎上推出電接點壓力表和遠傳壓力表,從二十世紀五十年代開始,各種可遠程傳輸的壓力變送器成為壓力測量儀表的主流。但即使在信息技術高度發達的今天,我們仍然可以在很多生產現場看到各種形式的就地壓力表,它們仍然繼續發揮其現場監測壓力參數的作用,由此可見就地壓力表生命力的強大。但有170年歷史的波登管就地壓力表也不會停滯不前,它也在與時俱進,不斷適應生產過程新的要求,用新原理、新技術改進自身結構,使古老的儀表設備煥發青春。

我們可以將就地壓力表的改進分為作為就地顯示設備的進展和作為信息遠傳設備的進展兩部分闡述。

2 就地壓力表作為就地顯示設備的進展

作為就地顯示設備,就地壓力表的改進體現在擴展量程范圍、防腐蝕防振動、擴大應用范圍、差壓測量以及數顯壓力表。

2.1 擴展量程范圍

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

2.2 防腐蝕防振動

由于普通就地壓力表的波登管采用銅合金制造,不耐腐蝕,當波登管采用涂鍍銅合金或不銹鋼材質制造時,可用于輕微腐蝕性介質。對于腐蝕性介質,當普通不銹鋼材質也不能解決問題時,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,應用于粘稠、含固體物介質、易結晶介質或腐蝕性液體氣體,上限量程范圍約為1 kPa~4 MPa。隔膜式壓力表的隔膜制作材質品種較多,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,可用于強腐蝕、高溫、高粘度、易結晶、易凝固或含固體浮游物的液體介質,上限量程范圍約為1 MPa~60 MPa。

在有機械振動的工作環境或介質壓力脈動的場合,可使用防震壓力表,防震壓力表上限量程范圍約為0.1 MPa~250 MPa。其表殼采用全密封結構,表殼內填充阻尼油,如硅油、氟油、甘油、甘油水溶液,還裝有阻尼管、阻尼片及阻尼螺釘等措施,為表殼內的活動零件提供阻尼,克服介質強烈脈動和環境振動給壓力表帶來的沖擊損害。由于緊急狀況時,彈性元件波登管可能破裂,管道內部壓力釋放時會危及人員及設施的安全,而安全型防震壓力表的表盤和測量系統之間焊接有安全隔板,窗口通常由夾層安全玻璃制成,背部設有泄壓后蓋及泄壓孔,可釋放內部壓力,避免玻璃飛濺造成的人員傷害,保障安全。

2.3 擴大應用范圍

針對一些特定檢測介質推出指定使用介質的特種壓力表,如氨壓力表就因接液介質禁銅,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、氧氣壓力表的介質要求嚴格的脫脂禁油措施。此外還有丙烷壓力表、二氧化碳壓力表、氮氣壓力表、氬氣壓力表等等。

船用壓力表應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,防護等級滿足IP64級防濺性能要求,表盤上主刻度及指針前端涂有永久性發光劑,保證在黑暗環境中能正常觀察壓力值。類似的專用壓力表還有很多,如醫用、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準儀表,普通壓力表的準確度可以是1級、1.6級、2.5級,精密壓力表的準確度為0.4級、0.25級。

圖2 精密壓力表

在制藥、食品、飲水、水處理等行業對壓力表有與衛生相關的規定,如應滿足藥品生產質量規范(GMP)的要求,壓力表與生產過程介質接觸的表面應光滑平整,易于清洗消毒,不允許發生化學反應或吸附。而采用隔膜隔離器可以避免測量介質直接進入壓力儀表內部,滿足不易污染、容易清洗、安全可靠、裝拆快捷方便等優點,所以衛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,產品應通過歐洲CE認證及歐盟ROHS強制性認證。

2.4 差壓測量

差壓也屬于壓力檢測參數中的一類,既然有就地壓力表,那么也應該有就地差壓表。所以少數壓力表生產廠也提供了這類產品,如單膜片、雙膜片、波紋管等形式的就地差壓表,準確度為1.0級~2.5級。上海自動化儀表公司的就地不銹鋼差壓表采用雙波紋管結構,在一個“工”字型支架的上下兩端分別是活動端和固定端,中間由簧片柔性連接。兩只波紋管分別安裝在“工”字型支架兩側活動支架的對稱位置上,當兩只波紋管施加不同壓力時,支架的活動端產生相應的位移,并帶動齒輪傳動機構,使指針偏轉顯示差壓值。差壓上限量程范圍為25kPa~1.6MPa,采用進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,它由兩套獨立的測量系統和指針組成,黑色指針P1測量正壓值,與刻度盤一體的紅色指針P2測量負壓值,通過中間小刻度盤上黑色指針P1的位置(代表黑、紅兩個指針的位置差P1-P2)就可以讀出壓力差值。

圖3 菲索公司雙管感壓元件的就地差壓表

2.5數顯壓力表

為了能直接讀取壓力值,近年來數顯壓力表較為普及,它采用了壓力傳感器數字化檢測技術、電池供電以及LCD顯示屏技術。壓力傳感器的品種有壓阻式、電阻應變式、陶瓷式、擴散硅式等,測量準確度可以達到0.5、0.2、0.1級,甚至可達到0.05級、0.02級。電源可采用7號電池(續航時間6~12個月),也可采用大容量鋰電池(續航時間3~5年)。杭州美儀自動化公司的SUP-Y190智能壓力數顯表(見圖4),內置高精度壓力傳感器,量程-0.1~60MPa,精度等級0.4%FS,由2節7號電池供電,電池壽命6個月,帶數據存儲、峰值記錄等功能。

圖4 杭州美儀自動化公司的智能壓力數顯表

壓力數顯表本身的精度就比較高,而專門用作壓力校驗儀的壓力數顯表還可以做得更高,如原西安熱工壓力表廠改制的創威公司是高端壓力計量校準設備制造廠,它所生產的CWY300數字壓力校驗儀的精度等級為0.1%FS、0.05%FS、0.02%FS,遠遠高于精密壓力表,最大量程還可以選250MPa。

3 就地壓力表作為信息遠傳設備的進展

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發展的要求,所以先從電接點壓力表起步,將壓力顯示值超限信號(上限、下限)遠傳。隨后是提供帶各種電信號遠傳裝置的就地壓力表,再往后則是各類無線傳送儀表。

3.1 電接點壓力表

電接點壓力表的刻度盤上一般有三根指針,每根指針的尾端都焊接了一條導線,三根指針分為三層疊加起來,相互之間絕緣,一般都安裝在表盤下面。通常黑色指針為儀表指針,位置在中間,用來顯示壓力測量值;在儀表指針的上面和下面分別是代表上下限的設定指針,紅色指針作上限報警設定用,綠色指針作下限報警設定用,一般在表殼外就可以用螺絲刀設置(見圖5)。儀表指針上設有動觸頭,設定指針上設有定觸頭,當測量指針位于上下限設定指針之間時,壓力值正常,無報警接點輸出;當壓力升高測量指針超過上限設定指針時,輸出上限報警接點信號;當壓力降低測量指針越過下限設定指針時,輸出下限報警接點信號。還有的電接點壓力表有四個設定指針,可以用來設定四個輸出接點信號,例如上上限、上限、下限、下下限信號。在工作環境振動或介質壓力脈動造成觸點頻繁關斷的情況下,可在設定指針的定觸頭上裝磁助式電接點、干簧電阻鏈式電接點、感應式電接點和電子式電接點等方式增加接點吸力,加快接觸動作,從而使觸點信號接觸可靠,消除電弧。

圖5  電接點壓力表

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

3.2 帶各種電信號遠傳裝置的就地壓力表

有各種類型的電信號遠傳壓力表,如電阻式、差動遠傳式、霍爾式等等。如電阻式是在壓力表波登管的齒輪傳動機構上設置滑線電阻,當扇形齒輪軸產生偏轉時,帶動滑線電阻上的電刷移動,從而使電阻值變化并傳送到二次儀表顯示相應的讀數。起始電阻值:30Ω~20Ω,滿度電阻值:340Ω~400Ω,精度等級為1.6級。差動遠傳式的輸出為電壓信號(0~10V或1V~5V)。但隨著單元組合儀表的普及,后期電信號遠傳壓力表輸出信號已經有0~10mA或4mA~20mA標準電流信號。

3.3  無線傳送壓力表

工業現場中大量的就地壓力表僅有就地顯示功能,需操作人員去現場就地讀數,但隨著生產技術水平的提高,對過程檢測參數集中監測的要求越來越迫切,對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,美國霍尼韋爾(Honeywell)公司采用直接在原有就地壓力表的刻表盤上安裝圖像識別裝置的方法,將就地壓力表的指針顯示值轉換成數字讀數后,再以無線通信的方式傳送到控制室的控制系統。新產品的名稱是無線讀表器,它是符合ISA100.11a無線通信國際標準的霍尼韋爾OneWireless無線網絡中的現場設備。

圖6所示為美國霍尼韋爾公司的無線讀表器在就地壓力表上安裝示意圖,當就地壓力表為圓形、表盤直徑為38mm~152.5mm之間時,可以通過安裝用適配器直接夾在現有的就地壓力表的刻度盤上,而無線讀表器通過安裝用適配器也固定在就地壓力表上。

圖6 霍尼韋爾公司的無線讀表器

1-無線讀表器;2-安裝用適配器;3-就地壓力表

通過圖像識別得到就地壓力表的儀表讀數并轉換成可以進行無線通信的數據,同時數據以大屏幕的方式在無線讀表器面板上LCD大液晶屏本地顯示,儀表讀數還可通過無線模塊以無線傳輸的方式傳送到控制室。

原有的就地壓力表為人工監測,監測頻率很低。無線讀表器可提供自動的、更頻繁的監測。但由于它是一個電池供電的裝置,為了保證電池一定的壽命,刷新率不能過快,所以作為刷新率指標,無線讀表器提供1min~18h的刷新率。當刷新率確定為15min時,電池壽命為2年。在美國存在核輻射危險的某核電站就地現場有數以百計的就地壓力表,巡檢人員每天要到現場巡查4次,增加無線讀表器后,可對現場不作任何改動就將就地顯示儀表的讀數連續傳送到控制室供操作人員監控。

由于就地壓力表是一類低價格儀表,通常故障率較高,存在指針變形、指針晃動、指針斷裂脫落、指針沖出止銷不回零、玻璃表盤破損等類故障(見圖7)。在解決信號遠傳的同時,對就地壓力表來一個徹底革新,提高其運行可靠性,這是美國艾默生過程管理采用的方法。

圖7 就地壓力表常見故障

2016年5月艾默生過程管理推出具有WirelessHART 功能的WPG無線指針式壓力變送器(見圖8),它采用壓阻傳感器電子技術,取代了機械部件,可無故障運行長達 10 年。但在就地顯示方式上,仍然采用傳統的指針顯示。壓力表表盤直徑為114.3 mm,準確度0.5%,具有高達 150 倍的過壓保護和雙層過程隔離特性,確保設備與人員安全。無線傳輸的信息刷新率可在1min~60min范圍內設定,壓力表刻度盤上的LED 燈閃爍指示儀表的狀態條件,如工作狀況良好,還可發出低電量、設備故障或電源中斷的警告。

圖8 艾默生過程管理的WPG無線指針式壓力變送器

中國科學院沈陽自動化研究所研究人員提出了成本較低的工業儀表(如就地壓力表)無線識讀裝置的設計方案,其通信協議為中國制定的國際標準WIA-PA。

按流程行業無線通信標準制造的無線傳送壓力表性能非常可靠,但價格高昂,要想使現場壓力表按上述方案進行改造,投資是巨大的。非常多的國內的壓力表生產商為適應用戶的要求,特別是在一些市政公用工程領域,如供排水、消防水、燃氣供應、取暖蒸汽供應等場合大批量應用無線傳送壓力表時,推出了了帶無線遠傳功能的普通數顯壓力表,通信協議采用GPRS、LoRa、LoRaWAN、NB-IoT等。以寶雞麥克傳感器公司的MPM6891型無線壓力表為例,量程為0~2.5MPa,精度±1%FS,刷新率為1min~1440min,可提供NB-IoT/2G/4G公網無線協議,上傳信息包括壓力數據,電池信息,網絡狀態(見圖9)。

圖9 寶雞麥克傳感器公司的MPM6891型無線壓力表

4 結束語

就地壓力表是一個歷史悠久而又不起眼的儀表,170年來多少專家對其進行改進革新,使之既滿足各類應用要求,又與時俱進,不斷推出新技術、新產品。本文所述及的僅僅只是其中的一部分,但已經可以窺到就地壓力表多彩、精致、博大精深的一角了。

參考資料:

[1]許漢文.國外壓力儀表發展概況[J].工業儀表與自動化裝置,1976(03):60~64.

[2]方原柏.流程行業無線通信技術及應用[M].北京:化學工業出版社,2014.

[3]張華良,曾鵬.基于圖像識別與傳輸的工業儀表無線識讀裝置設計 [J].儀器儀表標準化與計量2010(4):36~38.

[4]Emerson.Emerson推出業內首個無線指針式壓力變送器,用于幫助工廠改善運營

http://www.gongkong.com/news/201608/347591.html.2016.08.10.

作者簡介

方原柏,1942年生,男,湖北黃岡人,漢族,昆明有色冶金設計研究院電氣自動化分院教授級高級工程師,衡器、自動化儀表、冶金自動化、儀器儀表用戶、儀器儀表與自動化等雜志編委,昆明儀器儀表學會理事長,中國衡器協會技術專家委員會顧問,主要從事儀器儀表、控制系統的應用研究,曾出版“電子皮帶秤的原理及應用”(1994年,冶金工業出版社)、“電子皮帶秤”(2007年,冶金工業出版社)“流程行業無線通信技術及應用”(2015年化學工業出版社)、“有色金屬生產過程自動化”(2015年,人民郵電出版社)、“檢重秤”(2020年,中國質量標準工業出版社)五本專著,發表論文350篇。

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