當今，風靡壓力校準界的一個時髦詞是"模塊化"。但是，它的真正意義是什么，為什么它在壓力校準設(shè)備的設(shè)計和制造中扮演著重要的角色呢?如果使用得當，模塊化可提供傳統(tǒng)一體式設(shè)計提供不了的優(yōu)勢。它還為了解系統(tǒng)整體測量的不確定度和溯源方式，帶來了挑戰(zhàn)。在本文中，我們將對這些好處和挑戰(zhàn)進行評述。
模塊化概念概述
從一個更高的視角來看，所有壓力校準系統(tǒng)都要實現(xiàn)一組特定的任務(wù):
· 發(fā)生/控制壓力。
· 測量壓力。
· 觀察/記錄被測儀器的輸出。
在一個傳統(tǒng)的整體式系統(tǒng)中，單一設(shè)備執(zhí)行一個以上的功能。這樣做非常有效，并簡化了系統(tǒng)的整體設(shè)計。相反，在模塊化系統(tǒng)中，每個功能都被分配到各個模塊。該任務(wù)及執(zhí)行該任務(wù)的所有必要步驟都必須完全封裝在每個模塊內(nèi)，否則，如果模塊相互依賴，則喪失模塊化。因此，一個真正的模塊化系統(tǒng)，并不像看起來那么簡單。
例如，福祿克計量校準部的6270A模塊化壓力控制器/校準器就是一個真正的模塊化系統(tǒng)。壓力控制和測量的主要功能，被分配到其各自模塊上，使得每個模塊充分囊括了其給定的任務(wù)。壓力測量模塊包括了所有測量壓力需要的器件，而壓力控制模塊則囊括了控制壓力所需的閥門，壓力傳感器，電子器件和固件。
模塊化的優(yōu)勢
為什么需要模塊化校準系統(tǒng)呢? 真正的模塊化設(shè)計可提供下述重要好處:
* 量程覆蓋能力------壓力計量器具具有各種壓力量程。實用的校準系統(tǒng)應該是一個可以校準盡可能多壓力量程的系統(tǒng)。術(shù)語"量程覆蓋能力"指的是一個儀器可測量多個量程的能力。對于一個模塊化系統(tǒng)，具有內(nèi)置多個測量模塊的潛能，因此能夠覆蓋更寬的量程。為了取得這一優(yōu)勢，一個模塊化系統(tǒng)的設(shè)計應該:
1.同時含有多個模塊。模塊越多，意味著系統(tǒng)的量程覆蓋能力越強。
2. 含有足夠測量性能的測量模塊。每個模塊的測量不確定度和覆蓋量程，決定了校準器以合適的準確度等級覆蓋被測儀器的多少。
* 可擴展性------您的工作負載隨時間改變。今年，您需要的最高可能只是 7MPa(1000psi) 。如果您明年需要升至 20MPa(3000psi)將會怎樣? 如果是傳統(tǒng)的非模塊化系統(tǒng)，一般不太容易將其壓力測量量程進行擴展。您可能需要購買一套全新的系統(tǒng)。而設(shè)計得當?shù)哪K化系統(tǒng)，日后只需簡單地添加更多的模塊，即可很輕易地擴展其測量量程。設(shè)計時需考慮以下因素:
- 日后添加測量量程更大或更小的壓力計機型時，不需要購買新儀器或者由制造商進行改造。
- 壓力模塊的添加必須既快又省事。
6270A提供的平臺可實現(xiàn)：所有模塊可由用戶通過儀器前面板快速更換，而無需使用特殊工具，甚至無需斷電或拔掉測試供應壓力管路.
* 減少停機時間------校準系統(tǒng)本身就要求有一定的停機時間。因為有些時候，需要對其進行校準，而進行校準時，儀器不能使用。然而，功能強大的模塊化測量方案可為您提供多種選擇，在校準或進行其他維修時，減少或消除停機時間。如果所有測量模塊都是真正獨立的，即可對校準進行排序，使儀器在維修和校準狀態(tài)下，也可在大多數(shù)量程內(nèi)進行測量。例如，如果系統(tǒng)包括多個測量模塊，您可對某一個模塊進行校準，而其他模塊仍可用于測量。在應用中，連續(xù)運行是至關(guān)重要的，您可購買一套備用模塊，將其放置在交錯校準時間表內(nèi)。這樣，您就總有校準好的模塊可用。停機時間也可通過將控制功能完全模塊化的方法來消除。一個不需要與系統(tǒng)其他組件進行配置的模塊，可為壓力控制器/校準器提供更加便捷的排除故障和維修功能.
為了履行減少停機時間的承諾，在進行模塊化系統(tǒng)設(shè)計時，需將某些重要因素考慮進去。
- 首先，模塊必須易于快速更換。拆下模塊和重新安裝的時間算作停機時間。該停機時間應包括排空氣源壓力，使用合適工具對模塊進行作業(yè)，斷開和重新連接壓力管路，對系統(tǒng)進行測試以確保未發(fā)生泄漏，以及系統(tǒng)正常運行所花費的時間。在安裝模塊時，必須確認未造成泄漏及類似問題。排除故障以及解決泄漏或修復其他損傷，將明顯增加更多停機時間。
- 其次，整個系統(tǒng)的成本必須由所有模塊平攤。如果模塊的成本占系統(tǒng)成本的80%至90% ，為維持運行時間而采購備份模塊的做法，在經(jīng)濟上是不劃算的。再者，校準應在模塊層面上進行。系統(tǒng)中的其他組件不應對校準產(chǎn)生影響，以便模塊在被從機箱中拆下時，以及被安裝在不同的機箱，或校準套件上時，能夠提供同樣的輸出。
使用模塊化系統(tǒng)確定溯源性
在幕后，測量壓力還需經(jīng)過幾個步驟。每個步驟都可能影響到測量的總體不確定度。在一個模塊化系統(tǒng)中，并不是所有這些步驟都要在同一個模塊中一一完成。
通常，一個與測量相關(guān)聯(lián)的步驟，應包括如下內(nèi)容:
1. 將壓力引入系統(tǒng)。
2. 該壓力向傳感元件施加一個力。
3. 該力引起壓力傳感器輸出發(fā)生變化。根據(jù)壓力傳感器設(shè)計的不同，該變化可表現(xiàn)為一個頻率或毫伏信號(或類似的輸出)。
4. 壓力傳感器的輸出使用電子方法進行測量，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。
5. 系數(shù)被應用到數(shù)字值中。
6. 該數(shù)字值以在前面板上顯示，或者通過遠程接口發(fā)送的方式報送給用戶。
某些步驟所涉及的行為會有所不同，或?qū)㈦S時間的推進發(fā)生漂移，因此必須進行校準。步驟 3 中力與輸出信號的關(guān)系，以及步驟 4 中使用電子手段進行的測量，可能會隨時間一起，發(fā)生潛在的改變。因此，校準需要包括步驟 3 到步驟 5。換句話說，模塊必須以物理壓力作為輸入，而輸出必須是一個不需要進一步調(diào)節(jié)或校正的數(shù)字值。
在進行模塊設(shè)計時，還需要考慮其他方面的因素，以確保模塊無論被安裝在什么樣的機箱內(nèi)，都可得到相同的讀數(shù)。
* 激勵電源------根據(jù)壓力傳感器的設(shè)計，其輸出不僅與所受壓力，并且與供電電壓或激勵電源存在函數(shù)關(guān)系。鑒于在對模塊進行設(shè)置時，無法保證兩個機箱向該模塊所提供的電壓完全一致，所以，必須將模塊設(shè)計成，在不給最終測量結(jié)果帶來嚴重影響的前提下，可在一定的電源信號范圍內(nèi)正常工作。
* 溫度------壓力傳感器還要受到溫度的影響。如果一個模塊設(shè)計成既可在機箱內(nèi)工作，也可在校準套件上工作，必須對其進行全面的溫度補償，以便有效地應對廣泛多樣的熱環(huán)境。例如，校準器機箱內(nèi)外不同的溫度環(huán)境。
* 電磁干擾 (EMI) ------壓力傳感器及隨附電子設(shè)備可能受到電磁干擾的影響。在傳統(tǒng)儀器中，儀器整體通過屏蔽設(shè)計以及電氣設(shè)計消除電磁干擾。而在模塊化系統(tǒng)中，模塊必須具備即使不被安裝在機箱內(nèi)，也不受電磁干擾的功能。它還應具有抵抗機箱內(nèi)任何電磁干擾的功能，因為在機箱外對模塊進行校準時，電磁干擾將不在該處存在。
6270A 及與之配套的壓力測量模塊可滿足上述要求，完成其在模塊層面上的校準功能。它被設(shè)計成當原始壓力施加到模塊上時，即可在無需附加調(diào)節(jié)的情況下，從該模塊輸出一個數(shù)字值。模塊設(shè)計時還應考慮包括電源電壓，溫度和電磁干擾在內(nèi)的所有外部影響。
當使用一個如 6270A 這樣的模塊化校準系統(tǒng)，對其他壓力計量器具進行校準時，您會在校準報告中列出什么樣的項目作為測量標準呢? 測量模塊，控制模塊，機箱或者上述三者的某種組合? 溯源性方式是通過測量模塊實現(xiàn)的。這些是需要進行校準的僅有項目。因此，在校準中使用的測量模塊都應一一列出。控制模塊和機箱不需要在校準報告中列出。
選擇合適的壓力測量模塊
選擇合適的壓力測量模塊過程，簡單而直接。
1.評估工作量
如果存在一個定義好的工作量，應建列一張壓力清單，包括在所有壓力下所要求的不確定度。在大多數(shù)情況下，工作量應附有以滿量程百分比表示的規(guī)格。
這樣，想要測量的壓力就可與測試中設(shè)備的整個測量量程產(chǎn)生對應的關(guān)系。
在可支持多樣化及不可預測工作量的操作環(huán)境中，如在第三方校準實驗室中，可能對工作量未予以很好的定義。在這種情況下，作為代替，可觀察所需覆蓋量程內(nèi)的最高壓力和最低壓力。
2. 選擇模塊
可先從所需最高壓力開始，然后降至所需最低壓力。在某個給定壓力值下，可能存在可提供足夠不確定度的多個模塊。在某些情況下，最好選擇一個既可完全滿足某個壓力的校準要求，又可滿足多個壓力校準要求的模塊。在其他情況下，選擇較大數(shù)量的較低精度模塊，更加經(jīng)濟實用。
3. 牢記擴展性
模塊化系統(tǒng)具有未來擴展性。隨著時間的推移，您的壓力校準工作量幾乎必然發(fā)生變化。如果未給予某些工作量很好的定義，或者存在未來擴展的可能性，就應考慮未來添加功能的問題。
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