炸藥真空安定性試驗在線測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

楊菊輝 陳 捷 王曉英 劉冀川

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621900)

真空安定性測試系統(tǒng)是專門用于測定真空安定性的儀器，主要包括恒溫控制、溫度檢測和壓力檢測三大部分。目前，中國工程物理研究院化工材料研究所已自主研發(fā)出真空安定性測試系統(tǒng)一代、二代和三代機(jī)，并且不斷在原有設(shè)計基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，逐步實現(xiàn)了整套測試系統(tǒng)的一體化、小型化和智能化。不僅有效提高了設(shè)備的測試能力與安全性，更為研制動態(tài)真空安定性測試裝置，即量氣法相容性在線測試與數(shù)據(jù)分析裝置奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。筆者主要針對真空安定性測試系統(tǒng)第三代樣機(jī)的研制進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計①

定量試樣在定容、恒溫和一定真空度條件下受熱分解會釋放出氣體。釋放出的氣體可通過壓力傳感器進(jìn)行檢測，并根據(jù)特定的換算公式轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體體積，以評價試樣的安定性和相容性。該方法已列為鑒定炸藥或起爆藥熱分解安定性的標(biāo)準(zhǔn)方法。

系統(tǒng)總體設(shè)計包括空氣浴加熱裝置設(shè)計和測試系統(tǒng)設(shè)計兩部分。空氣浴主要用于試樣的加熱，并保障試樣在加熱過程中受熱分解。測試系統(tǒng)設(shè)計分為硬件部分和軟件部分，硬件主要負(fù)責(zé)根據(jù)軟件發(fā)出的指令完成相應(yīng)的加熱、控溫和捕捉試樣分解產(chǎn)生的氣體壓力與溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)試驗者的需要提供外部觸發(fā)信號源。軟件主要負(fù)責(zé)溫度控制、溫度采集與監(jiān)測和氣體壓力采集與監(jiān)測，并根據(jù)試樣的物理屬性及采集到的溫度、壓力等參數(shù)自動在線分析出單質(zhì)真空和混合真空試樣受熱分解產(chǎn)生的氣體放氣量。測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 空氣浴加熱裝置

空氣浴加熱裝置采用電加熱方式，空氣浴爐體中放置加熱試管，爐體主要由底板、殼體、蓋板、均熱塊和加熱套(也稱加熱環(huán))組成。爐體外殼采用內(nèi)、外雙層筒壁結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)保溫效果。底板與蓋板均采用1Cr18Ni9不銹鋼材料，具有較高的強(qiáng)度和耐腐蝕性。中間均熱塊選用硬鋁2A12，具有良好的傳熱性。加熱套(內(nèi)含電加熱絲的鍍鋅鐵皮)緊密圍住均熱塊，提供加熱功能，其長度和高度與均熱塊相當(dāng)，以保證整個箱體內(nèi)部溫度的均勻。均熱塊內(nèi)設(shè)有16個加熱孔，呈兩圈環(huán)狀布置。每支加熱試管獨立放置在加熱孔中，彼此隔離，以提高試驗的安全性。加熱時熱量由加熱環(huán)傳入均熱塊，從而使試管中的試樣受熱分解。均熱塊上部中心有溫度計孔，下部中心有溫度傳感器孔，分別用于安裝溫度計和熱電偶。加熱裝置組裝時還需在均熱塊的上、下面各襯墊一層石棉板。導(dǎo)熱體與雙層筒壁之間需填充保溫隔熱材料，同時殼體與均熱塊之間的保溫層也需要用保溫隔熱材料塞滿。

爐體下方的控制箱主要用于放置爐體和安裝溫控表。控制箱內(nèi)部由角鋼焊接成框架式結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的承載能力；面板與框架采用螺紋連接方式，并裝有提手，便于拆卸；箱內(nèi)設(shè)計有安裝板，用于安裝控溫器件與供電線路。

3 測試系統(tǒng)

3.1 硬件部分

真空安定性在線測試系統(tǒng)硬件部分主要包括：安全控制部分、溫度信號采集、氣壓信號采集、報警系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)(圖2)。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

安全控制部分。真空安定性在線測試裝置主要用于對含能材料進(jìn)行熱分解試驗。就試驗本身而言，存在一定的安全隱患，如加熱溫度失控導(dǎo)致試管內(nèi)的炸藥爆燃及炸藥熱分解釋放的氣體壓力超過試管耐壓極限而發(fā)生爆炸等。根據(jù)炸藥本身特性和現(xiàn)有經(jīng)驗，其安全控制的關(guān)鍵技術(shù)是加熱過程中的溫度設(shè)定與恒溫控制，為防止試樣在加熱過程中發(fā)生意外情況爆炸對人員和財產(chǎn)產(chǎn)生危害，裝置主要從溫度設(shè)定與控制入手處理，即嚴(yán)格控制試驗的最高加熱溫度，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)的最高值時，系統(tǒng)將會恒溫運行[1]；一旦恒溫控制失靈，系統(tǒng)將自動觸發(fā)超溫報警裝置，試驗人員只需通過程序點擊急停按鈕，即可立刻切斷空氣浴的加熱電源，從而保障整個試驗的安全運行。

氣壓、溫度數(shù)據(jù)采集。該部分主要負(fù)責(zé)氣壓和溫度信號采集。為保證測試精度，壓力信號采集選用的壓力變送器量程為0～100kPa，精度±0.25%；數(shù)字壓力表的量程0～100kPa，分度值0.1kPa，精度0.50%；精密真空表的量程-100～0kPa，分度值0.5kPa；空氣浴溫控表的溫度范圍50～300℃，分度值0.1℃，控溫精度±0.5℃。

PXI信號采集。壓力傳感器獲取電信號并遠(yuǎn)程傳輸?shù)浇K端控制室，在終端控制室再由PXI信號調(diào)理電路將AD信號轉(zhuǎn)換為DA信號，然后由模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路做進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理。AI智能工業(yè)調(diào)節(jié)器獲取的溫度信號采用RS485通信模式直接傳輸給遠(yuǎn)程工業(yè)計算機(jī)，進(jìn)行終端數(shù)據(jù)處理。

繼電器輸出控制電路。測試系統(tǒng)中，主要利用研華工業(yè)控制繼電器卡進(jìn)行輸出控制，系統(tǒng)程序通過控制繼電器的通、斷從而控制供電電源的通、斷和報警系統(tǒng)的觸發(fā)運行。當(dāng)空氣浴加熱裝置超溫運行時，系統(tǒng)會自動觸發(fā)超溫報警裝置。當(dāng)試驗人員點擊急停按鈕時，繼電器將自動觸發(fā)加熱電源斷電。

信號處理系統(tǒng)。信號處理系統(tǒng)采用工業(yè)計算機(jī)作為主機(jī)，液晶顯示屏作為人機(jī)交互模塊，使得輸入和輸出操作簡單直觀。

3.2 軟件部分

系統(tǒng)軟件部分分為測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)計算與管理系統(tǒng)。測試系統(tǒng)軟件設(shè)計主要針對溫度、壓力信號的采集和監(jiān)測[2]，人機(jī)交互界面可直觀反映加熱溫度和試管內(nèi)的壓力值，并具有實時數(shù)據(jù)保存功能。系統(tǒng)設(shè)計有加熱溫度遠(yuǎn)程控制功能，軟件通過預(yù)設(shè)加熱溫度參數(shù)可完成對空氣浴的恒溫控制和最大加熱溫度的控制。測試系統(tǒng)程序設(shè)計有報警和急停控制功能。在測試系統(tǒng)軟件中編制有PID調(diào)理程序，將溫度測試形成閉環(huán)，以有效提高溫度控制精度和測量值的準(zhǔn)確度。測試系統(tǒng)主程序界面如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)主程序界面

數(shù)據(jù)計算與管理系統(tǒng)是后端處理程序，是一種典型的數(shù)據(jù)庫開發(fā)應(yīng)用程序，由單組分真空安定性數(shù)據(jù)計算模塊[3]、混合組分真空安定性數(shù)據(jù)計算模塊、均值真空安定性數(shù)據(jù)計算模塊及系統(tǒng)管理模塊等組成。該系統(tǒng)采用Visual Foxpro設(shè)計，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計算、分析、查詢、打印和數(shù)據(jù)管理功能，可在線自動獲取測試系統(tǒng)中采集到的溫度和氣體壓力值，并根據(jù)試樣的物理參數(shù)(如質(zhì)量、密度及試管體積等)自動分析出單質(zhì)真空、混合真空和均值真空試樣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下釋放氣體體積量和在相容性試驗分析中獲取反應(yīng)凈增放氣量值(圖4)。根據(jù)程序自動分析出每克試樣在一定條件下獲取的放氣量體積,從而確定炸藥和火藥的安定性是否合格；根據(jù)反應(yīng)容器的凈增放氣量值的大小，從而可自動判斷出炸藥和火藥是相容、中等反應(yīng)還是不相容。

圖4 數(shù)據(jù)計算與管理系統(tǒng)程序主界面

4 結(jié)束語

真空安定性在線測試系統(tǒng)充分利用了LabVIEW和Visual Foxpro的強(qiáng)大功能，開發(fā)出界面友好、功能完備的集測試、分析于一體的自動測試系統(tǒng)。該測試裝置投入使用后，性能穩(wěn)定、界面友好、操作簡單。到目前為止，該設(shè)備未出現(xiàn)任何故障。