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| 2018。10 18 | 應用文章：壓力校正系統模組化 |
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壓力校正系統模組化
現在風靡壓力校正界的一個流行語叫"模組化"。但它的真正意義是什麼，為什麼它在壓力校正設備的設計和製造中扮演著重要的角色呢？如果使用得當，模組化可提供傳統一體式設計提供不了的優勢。它還為了解決系統整體測量的不確定度和溯源方式，帶來了挑戰。在本文中，我們將對這些好處和挑戰進行評述。
█ 模組化概念概述
從一個更高的視角來看，所有壓力校正系統都要實現一組特定的任務：
產生/控制壓力
測量壓力
觀察/記錄被測儀器的輸出
在一個傳統的整體式系統中，單一設備執行一個以上的功能。這樣做非常有效，並簡化了系統的整體設計。相反，在模組化系統中，每個功能都被分配到各個模組。該任務及執行該任務的所有必要步驟都必須完全封裝在每個模組內，否則，如果模組相互依賴，則喪失模組化。因此，一個真正的模組化系統，並不像看起來那麼簡單。
例如，福祿克計量校正部的6270A模組化壓力控制器/校正器就是一個真正的模組化系統。壓力控制和測量的主要功能，被分配到其各自模組上，使得每個模組充分囊括了其給定的任務。壓力測量模組包括了所有測量壓力需要的器件，而壓力控制模組則囊括了控制壓力所需的閥門，壓力傳感器，電子元件和硬體。
█ 模組化的優勢
為什麼需要模組化校正系統呢? 真正的模組化設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。實用的校正系統應該是一個可以校正盡可能多壓力量程的系統。術語"量程覆蓋能力"指的是一個儀器可測量多個量程的能力。對於一個模組化系統，具有內置多個測量模組的潛能，因此能夠覆蓋更寬的量程。為了取得這一優勢，一個模組化系統的設計應該：
同時含有多個模組。模組越多，意味著系統的量程覆蓋能力越強。
含有足夠測量性能的測量模組。每個模組的測量不確定度和覆蓋量程，決定了校正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?如果是傳統的非模組化系統，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。而設計得當的模組化系統，日後只需簡單地添加更多的模組，即可很輕易地擴展其測量量程。設計時需考慮以下因素：
日後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製造商進行改造。
壓力模組的添加必須既快又省事。
6270A提供的平台可實現：所有模組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------校正系統本身就要求有一定的停機時間。因為有些時候，需要對其進行校正，而進行校正時，儀器不能使用。然而，功能強大的模組化測量方案可為您提供多種選擇，在校正或進行其他維修時，減少或消除停機時間。如果所有測量模組都是真正獨立的，即可對校正進行排序，使儀器在維修和校正狀態下，也可在大多數量程內進行測量。例如，如果系統包括多個測量模組，您可對某一個模組進行校正，而其他模組仍可用於測量。在應用中，連續運行是至關重要的，您可購買一套備用模組，將其放置在交錯校正時間表內。這樣，您就總有校正好的模組可用。停機時間也可通過將控制功能完全模組化的方法來消除。一個不需要與系統其他組件進行配置的模組，可為壓力控制器/校正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，在進行模組化系統設計時，需將某些重要因素考慮進去。
首先，模組必須易於快速更換。拆下模組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，使用合適工具對模組進行作業，斷開和重新連接壓力管路，對系統進行測試以確保未發生洩漏，以及系統正常運行所花費的時間。在安裝模組時，必須確認未造成洩漏及類似問題。排除故障以及解決洩漏或修復其他損傷，將明顯增加更多停機時間。
其次，整個系統的成本必須由所有模組平攤。如果模組的成本佔系統成本的80%至90%，為維持運行時間而採購備份模組的做法，在經濟上是不划算的。再者，校正應在模組層面上進行。系統中的其他組件不應對校正產生影響，以便模組在被從機箱中拆下時，以及被安裝在不同的機箱，或校正套件上時，能夠提供同樣的輸出。
█ 使用模組化系統確定溯源性
在幕後，測量壓力還需經過幾個步驟。每個步驟都可能影響到測量的總體不確定度。在一個模組化系統中，並不是所有這些步驟都要在同一個模組中一一完成。
通常，一個與測量相關聯的步驟，應包括如下內容：
將壓力引入系統。
該壓力向傳感元件施加一個力。
該力引起壓力傳感器輸出發生變化。根據壓力傳感器設計的不同，該變化可表現為一個頻率或毫伏信號(或類似的輸出)。
壓力傳感器的輸出使用電子方法進行測量，並轉換成數字值。
係數被應用到數字值中。
該數字值已在前面板上顯示，或者通過遠程接口發送的方式報送給用戶。
某些步驟所涉及的行為會有所不同，或將隨時間的推進發生漂移，因此必須進行校正。步驟3中力與輸出信號的關係，以及步驟4中使用電子方法進行的測量，可能會隨時間一起，發生潛在的改變。因此，校正需要包括步驟3到步驟5。換句話說，模組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節或校正的數字值。
在進行模組設計時，還需要考慮其他方面的因素，以確保模組無論被安裝在什麼樣的機箱內，都可得到相同的讀數。
激勵電源------根據壓力傳感器的設計，其輸出不僅與所受壓力，並且與供電電壓或激勵電源存在函數關係。鑑於在對模組進行設置時，無法保證兩個機箱向該模組所提供的電壓完全一致，所以，必須將模組設計成，在不給最終測量結果帶來嚴重影響的前提下，可在一定的電源信號範圍內正常工作。
溫度------壓力傳感器還要受到溫度的影響。如果一個模組設計成既可在機箱內工作，也可在校正套件上工作，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境。例如，校正器機箱內外不同的溫度環境。
電磁干擾(EMI)------壓力傳感器及隨附電子設備可能受到電磁干擾的影響。在傳統儀器中，儀器整體通過屏蔽設計以及電氣設計消除電磁干擾。而在模組化系統中，模組必須具備即使不被安裝在機箱內，也不受電磁干擾的功能。它還應具有抵抗機箱內任何電磁干擾的功能，因為在機箱外對模組進行校正時，電磁干擾將不在該處存在。
6270A及與之配套的壓力測量模組可滿足上述要求，完成其在模組層面上的校正功能。它被設計成當原始壓力施加到模組上時，即可在無需附加調節的情況下，從該模組輸出一個數字值。模組設計時還應考慮包括電源電壓，溫度和電磁干擾在內的所有外部影響。
當使用一個如6270A 這樣的模組化校正系統，對其他壓力計量器具進行校正時，您會在校正報告中列出什麼樣的項目作為測量標準呢? 測量模組，控制模組，機箱或者上述三者的某種組合? 溯源性方式是通過測量模組實現的。這些是需要進行校正的僅有項目。因此，在校正中使用的測量模組都應一一列出。控制模組和機箱不需要在校正報告中列出。
█ 選擇合適的壓力測量模組
選擇合適的壓力測量模組過程，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。在大多數情況下，工作量應附有以滿量程百分比表示的規格。
這樣，想要測量的壓力就可與測試中設備的整個測量量程產生對應的關係。
在可支持多樣化及不可預測工作量的操作環境中，如在第三方校正實驗室中，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的最高壓力和最低壓力。
2. 選擇模組
可先從所需最高壓力開始，然後降至所需最低壓力。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組。在某些情況下，最好選擇一個既可完全滿足某個壓力的校正要求，又可滿足多個壓力校正要求的模組。在其他情況下，選擇較大數量的較低精度模組，更加經濟實用。
3. 牢記擴展性
模組化系統具有未來擴展性。隨著時間的推移，您的壓力校正工作量幾乎必然發生變化。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。
