应用文章：压力校准系统模块化

当今，风靡压力校准界的一个时髦词是"模块化"。但是，它的真正意义是什么，为什么它在压力校准设备的设计和制造中扮演着重要的角色呢？...



当今，风靡压力校准界的一个时髦词是"模块化"。但是，它的真正意义是什么，为什么它在压力校准设备的设计和制造中扮演着重要的角色呢？如果使用得当，模块化可提供传统一体式设计提供不了的优势。它还为了解系统整体测量的不确定度和溯源方式，带来了挑战。在本文中，我们将对这些好处和挑战进行评述。



模块化概念概述

从一个更高的视角来看，所有压力校准系统都要实现一组特定的任务:

· 发生/控制压力。

· 测量压力。

· 观察/记录被测仪器的输出。

在一个传统的整体式系统中，单一设备执行一个以上的功能。这样做非常有效，并简化了系统的整体设计。相反，在模块化系统中，每个功能都被分配到各个模块。该任务及执行该任务的所有必要步骤都必须完全封装在每个模块内，否则，如果模块相互依赖，则丧失模块化。因此，一个真正的模块化系统，并不像看起来那么简单。

例如，福禄克计量校准部的6270A模块化压力控制器/校准器就是一个真正的模块化系统。压力控制和测量的主要功能，被分配到其各自模块上，使得每个模块充分囊括了其给定的任务。压力测量模块包括了所有测量压力需要的器件，而压力控制模块则囊括了控制压力所需的阀门，压力传感器，电子器件和固件。

模块化的优势

为什么需要模块化校准系统呢? 真正的模块化设计可提供下述重要好处:

*量程覆盖能力------压力计量器具具有各种压力量程。实用的校准系统应该是一个可以校准尽可能多压力量程的系统。术语"量程覆盖能力"指的是一个仪器可测量多个量程的能力。对于一个模块化系统，具有内置多个测量模块的潜能，因此能够覆盖更宽的量程。为了取得这一优势，一个模块化系统的设计应该:

1.同时含有多个模块。模块越多，意味着系统的量程覆盖能力越强。

2. 含有足够测量性能的测量模块。每个模块的测量不确定度和覆盖量程，决定了校准器以合适的准确度等级覆盖被测仪器的多少。

*可扩展性------您的工作负载随时间改变。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)将会怎样? 如果是传统的非模块化系统，一般不太容易将其压力测量量程进行扩展。您可能需要购买一套全新的系统。而设计得当的模块化系统，日后只需简单地添加更多的模块，即可很轻易地扩展其测量量程。设计时需考虑以下因素:

- 日后添加测量量程更大或更小的压力计机型时，不需要购买新仪器或者由制造商进行改造。

- 压力模块的添加必须既快又省事。

6270A提供的平台可实现：所有模块可由用户通过仪器前面板快速更换，而无需使用特殊工具，甚至无需断电或拔掉测试供应压力管路.

*减少停机时间------校准系统本身就要求有一定的停机时间。因为有些时候，需要对其进行校准，而进行校准时，仪器不能使用。然而，功能强大的模块化测量方案可为您提供多种选择，在校准或进行其他维修时，减少或消除停机时间。如果所有测量模块都是真正独立的，即可对校准进行排序，使仪器在维修和校准状态下，也可在大多数量程内进行测量。例如，如果系统包括多个测量模块，您可对某一个模块进行校准，而其他模块仍可用于测量。在应用中，连续运行是至关重要的，您可购买一套备用模块，将其放置在交错校准时间表内。这样，您就总有校准好的模块可用。停机时间也可通过将控制功能完全模块化的方法来消除。一个不需要与系统其他组件进行配置的模块，可为压力控制器/校准器提供更加便捷的排除故障和维修功能.

为了履行减少停机时间的承诺，在进行模块化系统设计时，需将某些重要因素考虑进去。

- 首先，模块必须易于快速更换。拆下模块和重新安装的时间算作停机时间。该停机时间应包括排空气源压力，使用合适工具对模块进行作业，断开和重新连接压力管路，对系统进行测试以确保未发生泄漏，以及系统正常运行所花费的时间。在安装模块时，必须确认未造成泄漏及类似问题。排除故障以及解决泄漏或修复其他损伤，将明显增加更多停机时间。

- 其次，整个系统的成本必须由所有模块平摊。如果模块的成本占系统成本的80%至90% ，为维持运行时间而采购备份模块的做法，在经济上是不划算的。再者，校准应在模块层面上进行。系统中的其他组件不应对校准产生影响，以便模块在被从机箱中拆下时，以及被安装在不同的机箱，或校准套件上时，能够提供同样的输出。

使用模块化系统确定溯源性

在幕后，测量压力还需经过几个步骤。每个步骤都可能影响到测量的总体不确定度。在一个模块化系统中，并不是所有这些步骤都要在同一个模块中一一完成。

通常，一个与测量相关联的步骤，应包括如下内容:

1. 将压力引入系统。

2. 该压力向传感元件施加一个力。

3. 该力引起压力传感器输出发生变化。根据压力传感器设计的不同，该变化可表现为一个频率或毫伏信号(或类似的输出)。

4. 压力传感器的输出使用电子方法进行测量，并转换成数字值。

5. 系数被应用到数字值中。

6. 该数字值以在前面板上显示，或者通过远程接口发送的方式报送给用户。

某些步骤所涉及的行为会有所不同，或将随时间的推进发生漂移，因此必须进行校准。步骤 3 中力与输出信号的关系，以及步骤 4 中使用电子手段进行的测量，可能会随时间一起，发生潜在的改变。因此，校准需要包括步骤 3 到步骤 5。换句话说，模块必须以物理压力作为输入，而输出必须是一个不需要进一步调节或校正的数字值。

在进行模块设计时，还需要考虑其他方面的因素，以确保模块无论被安装在什么样的机箱内，都可得到相同的读数。

* 激励电源------根据压力传感器的设计，其输出不仅与所受压力，并且与供电电压或激励电源存在函数关系。鉴于在对模块进行设置时，无法保证两个机箱向该模块所提供的电压完全一致，所以，必须将模块设计成，在不给最终测量结果带来严重影响的前提下，可在一定的电源信号范围内正常工作。

* 温度------压力传感器还要受到温度的影响。如果一个模块设计成既可在机箱内工作，也可在校准套件上工作，必须对其进行全面的温度补偿，以便有效地应对广泛多样的热环境。例如，校准器机箱内外不同的温度环境。

* 电磁干扰 (EMI) ------压力传感器及随附电子设备可能受到电磁干扰的影响。在传统仪器中，仪器整体通过屏蔽设计以及电气设计消除电磁干扰。而在模块化系统中，模块必须具备即使不被安装在机箱内，也不受电磁干扰的功能。它还应具有抵抗机箱内任何电磁干扰的功能，因为在机箱外对模块进行校准时，电磁干扰将不在该处存在。

6270A 及与之配套的压力测量模块可满足上述要求，完成其在模块层面上的校准功能。它被设计成当原始压力施加到模块上时，即可在无需附加调节的情况下，从该模块输出一个数字值。模块设计时还应考虑包括电源电压，温度和电磁干扰在内的所有外部影响。

当使用一个如 6270A 这样的模块化校准系统，对其他压力计量器具进行校准时，您会在校准报告中列出什么样的项目作为测量标准呢? 测量模块，控制模块，机箱或者上述三者的某种组合? 溯源性方式是通过测量模块实现的。这些是需要进行校准的仅有项目。因此，在校准中使用的测量模块都应一一列出。控制模块和机箱不需要在校准报告中列出。

选择合适的压力测量模块

选择合适的压力测量模块过程，简单而直接。

1.评估工作量

如果存在一个定义好的工作量，应建列一张压力清单，包括在所有压力下所要求的不确定度。在大多数情况下，工作量应附有以满量程百分比表示的规格。

这样，想要测量的压力就可与测试中设备的整个测量量程产生对应的关系。

在可支持多样化及不可预测工作量的操作环境中，如在第三方校准实验室中，可能对工作量未予以很好的定义。在这种情况下，作为代替，可观察所需覆盖量程内的最高压力和最低压力。

2. 选择模块

可先从所需最高压力开始，然后降至所需最低压力。在某个给定压力值下，可能存在可提供足够不确定度的多个模块。在某些情况下，最好选择一个既可完全满足某个压力的校准要求，又可满足多个压力校准要求的模块。在其他情况下，选择较大数量的较低精度模块，更加经济实用。

3. 牢记扩展性

模块化系统具有未来扩展性。随着时间的推移，您的压力校准工作量几乎必然发生变化。如果未给予某些工作量很好的定义，或者存在未来扩展的可能性，就应考虑未来添加功能的问题。

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