Automatisiertes Kalibriersystem FPG8601

Funktionsweise

Messung

Das FPG8601 basiert auf dem bekannten Kolbenmanometerprinzip, bei dem Druck, der auf die effektive Fläche eines Kolben-Zylinders ausgeübt wird, in eine proportionale Kraft umgewandelt wird. Die Kraft, die aus dem Druck resultiert, wird allerdings nicht mit von der Schwerkraft beschleunigten Gewichten ausgeglichen, sondern mithilfe einer Kraftausgleichslastzelle gemessen, mit der der Kolben verbunden ist. Da sich oben und unten am Kolben-Zylinder Druckkammern befinden, kann der Referenzdruck, nach dem der Druck definiert ist, geändert werden (Atmosphäre für Relativdruck, Vakuum für Absolutdruck). Das Nullstellen der Lastzelle mit der oberen und unteren Kammer bei einem gemeinsamen Druck tariert das Gewicht des Kolbens und alle sonstigen Kräfte, die nicht auf den gemessenen Druck zurückzuführen sind. Die Druckmessung beginnt nun am Nullpunkt. Der Wert des ausgeübten Differenzdrucks errechnet sich aus der effektiven Fläche des Kolben-Zylinders und dem Nettokraftwert, der von der Lastzelle gemessen wird.

Um die Instabilität und den mechanisch komplizierten Vorgang der Kolbenzentrierung durch Drehen des Kolbens im Zylinder zu umgehen, wird der FPG-Kolben durch den Durchfluss eines unabhängigen, unter Druck gesetzten Schmiergases im Kolben-Zylinder-Spalt zentriert. Der konisch zulaufende Spalt verengt sich symmetrisch zu den äußersten Enden des Kolbens hin. Der Kolben-Zylinder-Spalt beträgt 1 bis 6 μm, und der Schmierdruck ist 40 kPa größer als der Referenzdruck. Dadurch bleibt der Durchfluss in die Messkammern sehr gering (weniger als 1 Scm³/min insgesamt). Die Kraft, die auf den Kolben wirkt, wird über ein Kardanverbindungssystem an die Lastzelle übertragen. Dieses System hält den Kolben in seinem Schwerpunkt. Der Durchgang des Verbindungssystems wird auch für die Zuführung des Kolben-Zylinder-Schmiergases verwendet. Die Lastzelle ist in einer hermetischen Kammer eingeschlossen, durch die das Schmiergas strömt. Durch ihre Bauweise unterstützt die Lastzellkammer die Aufrechterhaltung ihrer Temperaturkonstante, und das Schmiergas ist so beschaffen, dass die relative Feuchtigkeit sichergestellt ist.

Regelung

Der Druckcontroller des FPG8601 passt den Durchfluss mithilfe einer Durchflussbegrenzung an. Die vorgelagerte Seite der Durchflussbegrenzung ist mit der oberen FPG-Druckkammer verbunden, und die nachgelagerte Seite der Durchflussbegrenzung ist mit der unteren FPG-Druckkammer und der Atmosphäre oder einer unabhängigen Vakuumquelle für den Betrieb im Absolutdruckmodus verbunden. Der Regler umfasst mehrere Durchflussbegrenzungen mit unterschiedlichem Leitwert, wobei die für den jeweiligen Druckbereich passende Durchflussbegrenzung automatisch ausgewählt wird. Zwei Massendurchflussregler (MFC), einer zur groben Druckregelung und der andere im unteren Bereich zur feinen Druckregelung, werden parallel verwendet, um den Durchfluss in einer Kreisschaltung anzupassen. Die Regelung basiert auf dem Unterschied zwischen dem Drucksollwert und dem FPG-Druckmesswert. Ein zweistufiger Druckcontroller, dessen zweite Stufe auf die nachgelagerte Seite der Druckbegrenzungen referenziert ist, liefert einen stabilen Eingangsdruck an die Massendurchflussregler.

Automatischer Betrieb

Das FPG8601 umfasst eine Windows®-basierte Systemsteuerung. Die Systemsteuerung kommuniziert mit der Hardware des FPG8601 und den Geräten, die getestet werden (Prüflinge). Die Software „FPG Tools™“ überwacht und steuert den FPG-Betrieb und unterstützt eine Vielzahl von sehr nützlichen Funktionen, z. B. das vollautomatische, unbeaufsichtigte Durchführen von Prüfsequenzen mit Datenerfassung für das getestete Gerät. Alle FPG-Daten und Daten des getesteten Geräts werden in Datendateien im Delimited-Format gespeichert, die zur Auswertung in anderen Anwendungen einfach heruntergeladen werden können. Einige Funktionen der Software „FPG Tools“:

• Wechsel des Messmodus (Relativdruck/Absolutdruck)
• Automatische Nullstellung und automatische Bereichswahl der Lastzelle
• Datenpunkt-Durchschnittszeitanpassung
• Alarm bei extremer Änderung der Betriebsbedingungen
• Korrektur der thermischen Transpiration im unteren Absolutdruckbereich
• Konfiguration des zu testenden Geräts
• Definition und Speicherung der Testprozedur
• Vollautomatische Durchführung des Tests
• Aufzeichnung der Messergebnisse in Echtzeit

Messmodi Relativdruck, Absolutdruck und absoluter Differenzdruck

Das FPG8601 unterstützt drei verschiedene Messmodi:

• Relativdruck: Die untere Kammer des FPG und die „untere“ Seite des Tests sind miteinander verbunden und der Atmosphäre ausgesetzt.
• Absolutdruck: Die untere Kammer des FPG ist luftleer, und das restliche Vakuum wird von einem Vakuummanometer gemessen. Dieser Modus wird zur Kalibrierung abgeschlossener Absolutdruck-Prüflinge verwendet.
• Absoluter Differenzdruck: Die untere Kammer des FPG und die „untere“ Seite des Tests sind miteinander verbunden und luftleer. Dieser Modus wird zur Kalibrierung von Differenzdruck-Prüflinge relativ zum Vakuum verwendet.

Auftischsystem ohne besondere Umgebungsanforderungen

Das FPG8601 kann auf einem hochwertigen, 2 m großen Labortisch installiert werden. Der Druckcontroller wird meist unter dem Tisch montiert. Bei integrierter Absolutdruckfunktion muss die Stellfläche für die Vakuumpumpen berücksichtigt werden. Auf Wunsch ist zusammen mit dem System ein angepasster Montagetisch erhältlich.

Die Umgebungsanforderungen für den Betrieb des FPG8601 entsprechen den normalen Betriebsbedingungen in einem Highend-Metrologielabor.

Installations- und Schulungsservice

Für eine neue FPG8601-Installation empfiehlt sich ein drei- bis fünftägiger Installations- und Schulungsservice. Dieser Service umfasst die Einrichtung und das Testen des FPG8601-Systems sowie die Schulung der Benutzer, die das System bedienen und warten, einschließlich der Durchführung typischer Tests. Die Schulung kann vor der Lieferung am Fluke Calibration Standort in Phoenix, Arizona (USA) und/oder nach der Lieferung am Installationsstandort erfolgen.