不同機械式壓力錶的內部結構為何？
ATLANTIS 昶特有限公司 ｜ 31 年工業儀表製造經驗
不同機械式壓力錶的內部結構為何？
波登管、隔膜、膠囊、波紋管、活塞——6 大感測元件的工作原理完全解析
8000+ 字深度技術指南 ｜ 4 個 SVG 原理圖 ｜ 10 大 FAQ
選錯壓力錶，輕則讀值不準，重則管線爆裂。但你知道嗎？市面上的機械式壓力錶內部其實有六種截然不同的感測元件，從 1849 年發明至今的波登管（Bourdon Tube），到能量測腐蝕性介質的隔膜，再到常見於空調系統的波紋管——每一種都有它最適合的戰場。
本文將帶你深入每一種感測元件的物理原理、材料選擇、壓力範圍與最佳應用場景，讓你在下次選型時，不再憑感覺，而是憑理解。
📚 本文重點導覽
- 第 1 章：波登管（Bourdon Tube）—— C 型、螺旋型、螺管型的差異與選型
- 第 2 章：隔膜式（Diaphragm）—— 連桿型、無齒輪型、膠囊型三種解法
- 第 3 章：波紋管（Bellows）與活塞（Piston）—— 差壓量測的兩大利器
- 第 4 章：六大感測元件比較表 —— 壓力範圍、材料、應用一覽
- 第 5 章：10 大常見問題（FAQ）—— 工程師最想問的選型疑惑
1️⃣ 波登管（Bourdon Tube）——機械壓力錶的心臟
波登管（又稱巴登管或彈簧管）是應用最廣泛的壓力感測元件，由法國工程師 Eugène Bourdon 於 1849 年發明，至今全球每年仍生產超過 5000 萬支。它的核心原理極為優雅：一根截面為橢圓形的中空金屬管，彎曲後密封一端、開口端導入壓力——當內部壓力增加時，截面有「趨向圓形」的力學傾向，使管體產生位移，帶動連桿與指針旋轉。
這個設計的天才之處在於：沒有電路、沒有電池、沒有軟體——純粹依靠金屬彈性（楊氏模數）將壓力轉換為角位移。這也是為什麼波登管可以在停電、強磁場、極端高溫等環境下照常工作。
▼ 三種波登管結構比較示意圖
① C 型波登管 ——應用最廣的主力款
C 型是最常見的波登管壓力錶，管體彎曲約 270° 呈字母「C」形。適用壓力範圍 0.6 至 70 kgf/cm²，可量測液體和氣體。結構上，開口端固定於接頭以導入壓力，密封端連動內部連桿與指針；接收到壓力時，管體橢圓截面受力趨向圓形，使彎曲角度增大，密封端向外偏移，帶動傳動機構旋轉指針。
材質常見有黃銅（適用一般介質）、不鏽鋼 304（中性介質）、不鏽鋼 316（輕度腐蝕性介質）。C 型的主要優點是製造工藝成熟、成本合理、維修容易，因此成為工廠、水廠、HVAC 系統的首選。
② 螺旋型波登管 ——石化廠的高壓守護者
螺旋型波登管將管體捲成多圈螺旋狀，形似鐘錶彈簧。多重彎曲設計讓每圈都能分散壓力，因此可承受遠高於 C 型的壓力，通常用於 70～1000 kgf/cm² 的高壓應用。量測壓力越大，所需的管線圈數就越多——這是工程師選型時的基本判斷法則。
螺旋型的缺點是加工難度較高、成本也較 C 型貴，但其在石油化學工業、發電廠、環境工程高壓管線中幾乎是不可替代的選擇。ATLANTIS 的螺旋型波登管系列採用精密不鏽鋼管材，確保在惡劣環境下的長期穩定性。
③ 螺管型波登管 ——潛水瓶與滅火器的輕巧之選
螺管型波登管的管體呈同心圓形彎曲（類似鐘錶的發條）。最大特色是管端直接與指針連接，完全不需要齒輪或連桿，因此結構極為簡單，非常適合用在刻度盤較小的壓力錶，例如潛水氧氣瓶壓力錶與手提式滅火器壓力顯示。
省去齒輪後的好處是摩擦損耗更低、讀值更直接，但精度也略遜於有齒輪傳動的 C 型。在消費性與安全設備市場，螺管型的輕巧與低成本是決定性優勢。
2️⃣ 隔膜式壓力錶（Diaphragm）——腐蝕性介質的第一選擇
當量測介質是強腐蝕性液體、高黏度漿料、食品原料或需要無菌環境時，波登管直接接觸介質的設計就成了安全隱患。這時候，隔膜式壓力錶的設計哲學就派上用場了：讓一片柔性膜片隔開「儀錶內部精密零件」與「外部惡劣介質」，壓力透過隔膜的物理變形來傳遞，精密部件永遠不會接觸介質。
根據傳動機制的不同，隔膜式壓力錶細分為三種：連桿隔膜型、無齒輪隔膜型、膠囊型。
▼ 三種隔膜式壓力錶傳動機制比較
① 連桿隔膜型——腐蝕介質的標準解法
連桿隔膜型不需要任何系統填充液，這對無菌壓力量測是安全認可的設計。膜片材質可選用不鏽鋼、鐵氟龍（PTFE）、哈氏合金（Hastelloy）或陶瓷，幾乎涵蓋所有工業介質的耐腐蝕需求。
運作原理：壓力介質接觸波浪型隔膜後，隔膜發生微小形變，透過連桿將位移傳送到齒輪及指針。可加裝襯層或塗層延長使用壽命，常見應用於壓縮機、瓦斯產業與半導體製程等腐蝕性介質場合。
② 無齒輪隔膜型——衝擊振動環境的最佳選擇
無齒輪隔膜型完全省去齒輪傳動，直接透過膜片的收縮與膨脹來驅動指針旋轉。沒有齒輪，就沒有齒輪在衝擊下的損壞風險。這使它能同時抵抗內部衝擊（量測介質壓力不穩定脈衝）與外部衝擊（設備運轉產生的振動）。
缺點是精度較連桿型略低，因為膜片的非線性特性直接影響讀值精度。常見應用：空氣壓縮機、輪胎壓力錶、手動液壓工具。對精度要求不高但需要耐用性的場合，這是性價比最高的選項。
③ 膠囊型——微壓量測的精密選手
膠囊型由兩片膜片焊接密封形成一個封閉囊體。當介質壓力改變時，膠囊受正壓膨脹或受負壓（真空）收縮，這個體積變化再透過連桿驅動指針。常用材料有黃銅和不鏽鋼。
膠囊型在極低壓力（微壓）環境下靈敏度遠超波登管，特別適合量測低正壓、負壓或兩者的差壓。常見應用：氣體工業、石油化學工業微壓計、醫療設備氣壓監控。ATLANTIS 的膠囊型系列符合食品級與醫療衛生要求的材質規範。
3️⃣ 波紋管（Bellows）與活塞（Piston）——差壓量測的兩大利器
除了波登管和隔膜，還有兩類重要感測元件在特殊工況中扮演不可或缺的角色：波紋管（Bellows）主要用於低壓差壓量測，而活塞（Piston）則廣泛應用於泵監控和管道差壓保護。
▼ 波紋管差壓計原理 vs 活塞式差壓計原理
① 波紋管（Bellows）——空調過濾系統的差壓監控
波紋管是一種具有環狀波紋的空心金屬管。當內部壓力充填時，波紋管沿管軸方向伸長，驅動連桿使指針轉動。單個波紋管可作普通壓力錶使用；更典型的設計是兩側各接一個波紋管用於差壓量測——高壓側波紋管伸長，低壓側收縮，兩側的力量差推動中心連桿旋轉指針。
波紋管差壓計的量程通常在0～25 kgf/cm²，最大靜壓為 150 kgf/cm²。常見材質：不鏽鋼、黃銅、青銅。應用場景：空調系統（監控新舊濾網差壓）、過濾系統（判斷過濾器堵塞程度）、排氣管檢測系統。
波紋管的關鍵優勢是對微小壓差非常敏感，因為金屬波紋結構放大了變形量，讓極小的壓差也能產生可量測的位移——這是 C 型波登管在微壓差環境下難以實現的精度。
② 活塞式（Piston）——泵與管道系統的差壓守衛
活塞式壓力錶的原理如同汽車發動機的活塞：兩個不同壓力連接到壓力錶兩側，較高壓力推動活塞壓縮彈簧，活塞位移帶動連桿與指針轉動。指針位置直接反映兩側的壓力差值。
活塞式的主要應用是泵的性能監控與管道系統差壓保護。例如在離心泵的入口和出口各裝一個壓力接口，通過活塞式差壓計直接讀取泵揚程，是一種不需要兩支獨立壓力錶和人工計算的高效監控方式。活塞式對機械衝擊有較好的耐受性，但需要定期檢查密封件磨損情況。
4️⃣ 六大感測元件完整比較表
選擇壓力錶的感測元件，最核心的考量是：量測範圍、介質特性（腐蝕性/黏度/清潔度）、環境衝擊程度、精度要求、成本預算。以下比較表幫你在 30 秒內找到最適合的感測元件：
| 感測元件 | 壓力範圍 | 介質接觸 | 耐衝擊 | 典型應用 |
|---|---|---|---|---|
| C 型波登管 | 0.6～70 kgf/cm² | 直接接觸 | ★★★ | 工廠、水廠、HVAC |
| 螺旋型波登管 | 70～1000 kgf/cm² | 直接接觸 | ★★★ | 石化廠、發電廠、高壓管 |
| 螺管型波登管 | 低～中壓 | 直接接觸 | ★★ | 潛水瓶、滅火器 |
| 連桿隔膜型 | 低～高壓 | 隔離接觸 | ★★★ | 壓縮機、腐蝕性介質 |
| 無齒輪隔膜型 | 低～中壓 | 隔離接觸 | ★★★★★ | 空壓機、輪胎錶 |
| 膠囊型 | 微壓 / 負壓 | 隔離接觸 | ★★★ | 氣體微壓計、醫療設備 |
| 波紋管 | 0～25 kgf/cm² | 直接接觸 | ★★ | 空調、過濾差壓監控 |
| 活塞式 | 差壓量測 | 直接接觸 | ★★★★ | 泵監控、管道差壓 |
材料選型決策樹——快速判斷正確材質
▼ 感測元件材料選型決策樹
以上決策樹涵蓋了 80% 以上的工業選型場景。遇到特殊情況（例如高溫蒸汽、食品接觸、核工業等），建議直接諮詢 ATLANTIS 工程師——因為這些場合通常還需要配合使用冷凝管、隔膜密封、安全閥等附件，才能確保安全與準確。
5️⃣ 10 大常見問題（FAQ）——選型疑惑一次解答
Q1：C 型波登管和螺旋型波登管到底差在哪裡？
核心差異在於壓力上限與靈敏度。C 型只有一個彎曲段，形變量較小，適合低中壓（0.6～70 kgf/cm²）；螺旋型有多個彎曲段，每一圈都能分散更大的壓力，也能產生更大的總位移量，適合 70～1000 kgf/cm² 的高壓場合。選型時記住：壓力越高，選螺旋型；壓力中低且成本敏感，選 C 型。
Q2：量測腐蝕性液體一定要用隔膜式嗎？波登管加上 316 不鏽鋼不夠嗎？
視腐蝕程度而定。316 不鏽鋼對輕度腐蝕介質（如稀鹽水、弱酸）已足夠，但對強酸（鹽酸、硫酸）、氯化物、強鹼等，316SS 仍會被侵蝕，最終導致波登管穿孔洩壓。這時候必須使用哈氏合金（Hastelloy C-276）或鐵氟龍（PTFE）膜片的隔膜型。另外，食品廠、製藥廠的無菌要求也強制使用隔膜型，防止介質殘留。
Q3：什麼叫「膠囊型壓力錶適合微壓量測」？具體是多微的壓力？
「微壓」是指非常接近大氣壓的正壓或負壓，通常在-1,000 Pa 至 +10,000 Pa（約 -100 mmH₂O 至 +1,000 mmH₂O）的範圍。波登管在如此微小的壓差下，管體形變量極小，難以驅動連桿轉動足夠的角度。膠囊型的兩片膜片密封的囊體對體積變化非常敏感，能在微壓下也能產生明顯的形變量，所以靈敏度遠高於波登管。常見應用：天然氣配送低壓管、實驗室通風控制、醫療設備氣壓監控。
Q4：波紋管壓力錶的最大靜壓 150 kgf/cm² 是什麼意思？
差壓計有兩個概念：「量測範圍」（兩側壓差）和「靜壓上限」（兩側各自可承受的絕對壓力）。波紋管差壓計的量測範圍只有 0～25 kgf/cm²，意思是兩側壓差不能超過 25 kgf/cm²。但兩側的「靜壓」（背景壓力）可以高達 150 kgf/cm²——例如高壓管路在 100 kgf/cm² 背景壓力下，只要兩點差壓在 25 以下，波紋管差壓計仍能正確工作而不破損。
Q5：無齒輪隔膜型壓力錶說「精度較差」——差多少？能用在精密製程嗎？
無齒輪隔膜型的精度通常在1.6 至 2.5 級（即滿量程偏差 ±1.6%～±2.5%），而有齒輪的 C 型波登管可以達到 0.6 級（±0.6%）。對於精密製程（如製藥 GMP、食品 HACCP），1.6 級以下才足夠，此時應選有齒輪的連桿隔膜型，而非無齒輪型。無齒輪型的強項是耐振抗衝擊，適合精度要求寬鬆但環境惡劣的場合，如空壓機機台、輪胎充氣站、建築工地氣壓工具。
Q6：波登管材料選黃銅還是不鏽鋼？兩者有什麼具體差異？
黃銅波登管彈性模數穩定、加工性好、成本低，適合一般氣體（空氣、氮氣）、清潔水及非腐蝕性液體。不可用於氨氣（會腐蝕銅）、乙炔（會爆炸反應）。304 不鏽鋼耐腐蝕性顯著提升，但加工難度和成本也增加，適合含氯離子較低的液體。316 不鏽鋼多了 2% 鉬，耐氯離子腐蝕更強，是海水環境、食品工廠的標準選擇。記住：材料選越好，壽命越長，長期總成本反而越划算。
Q7：隔膜壓力錶的膜片會老化嗎？壽命是多久？
金屬膜片（不鏽鋼、哈氏合金）的疲勞壽命通常在1,000 萬次以上壓力循環，在正常工況下可以使用 5～15 年。非金屬膜片（PTFE、橡膠）則相對較短，通常 2～5 年需要更換，尤其在高溫下老化速度更快。延長壽命的關鍵是：避免超壓、避免高溫（超過材料額定溫度）、定期清潔膜片表面避免積垢。ATLANTIS 的隔膜型壓力錶提供多種膜片材質，可根據介質溫度和腐蝕性訂製。
Q8：差壓計（波紋管/活塞式）和普通壓力錶安裝時有什麼不同？
差壓計有兩個壓力接口（High Port 和 Low Port），安裝時必須確認哪一側接高壓介質，接反會導致讀值反向或機件損壞。此外，安裝位置應盡量保持水平，避免因重力導致的讀值誤差。管路較長時（超過 5 公尺），需考慮導管中液柱的靜水壓補償。建議在安裝前先測試兩側壓力是否在差壓計額定範圍內，避免啟動瞬間超壓損壞儀器。
Q9：螺管型波登管真的不需要齒輪嗎？沒有齒輪不會影響精度嗎？
是的，螺管型（Helicoid Bourdon tube）管端直接與指針軸連接，完全省去齒輪。沒有齒輪意味著沒有齒隙（backlash）誤差、沒有摩擦損耗，在某些場合精度反而更高。不過，這種設計只適合刻度盤較小的壓力錶，因為管端的位移量本身較小，如果刻度盤太大，讀值的分辨率會不足。常見於 50mm 以下的小型壓力錶，如潛水器材和滅火器內建表。
Q10：我同時需要耐腐蝕又需要耐衝擊，應該選哪種壓力錶？
這是工程師最常面臨的複合需求挑戰。答案是「連桿隔膜型 + 充矽油 + 316 不鏽鋼殼體」的組合：隔膜（哈氏合金或 PTFE）負責隔絕腐蝕性介質；殼內充矽油提供液體阻尼，吸收衝擊和壓力脈衝；316 殼體抵抗外部環境腐蝕。另外，安裝緩衝座（Snubber）也是必要的附件，可在連接管路處濾除瞬間壓力尖峰，保護隔膜不被衝壞。ATLANTIS 提供完整的組合選型服務，歡迎諮詢。
找到最適合你的壓力錶感測元件
ATLANTIS 昶特有限公司擁有 31 年台灣本土壓力錶製造經驗，從 C 型波登管到隔膜密封、波紋管差壓計，全系列產品均符合 ISO 1083、DIN 16006 等國際標準。我們提供免費技術諮詢，協助你在六大感測元件中精確選型。
📧 業務諮詢： ian@atlantis.com.tw | nori@atlantis.com.tw
📱 電話： 02-2820-3405 | 🏢 台北市北投區致遠一路二段 109 號