炸藥真空安定性試驗(yàn)在線測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊菊輝 陳 捷 王曉英 劉冀川

(中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

真空安定性測(cè)試系統(tǒng)是專門(mén)用于測(cè)定真空安定性的儀器，主要包括恒溫控制、溫度檢測(cè)和壓力檢測(cè)三大部分。目前，中國(guó)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(cè)試系統(tǒng)一代、二代和三代機(jī)，并且不斷在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，逐步實(shí)現(xiàn)了整套測(cè)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(cè)試能力與安全性，更為研制動(dòng)態(tài)真空安定性測(cè)試裝置，即量氣法相容性在線測(cè)試與數(shù)據(jù)分析裝置奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。筆者主要針對(duì)真空安定性測(cè)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(jì)①

定量試樣在定容、恒溫和一定真空度條件下受熱分解會(huì)釋放出氣體。釋放出的氣體可通過(guò)壓力傳感器進(jìn)行檢測(cè)，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(píng)價(jià)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(jì)包括空氣浴加熱裝置設(shè)計(jì)和測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分?？諝庠≈饕糜谠嚇拥募訜?，并保障試樣在加熱過(guò)程中受熱分解。測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yàn)者的需要提供外部觸發(fā)信號(hào)源。軟件主要負(fù)責(zé)溫度控制、溫度采集與監(jiān)測(cè)和氣體壓力采集與監(jiān)測(cè)，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(dòng)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(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測(cè)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?chē)【鶡釅K，提供加熱功能，其長(zhǎng)度和高度與均熱塊相當(dāng)，以保證整個(gè)箱體內(nèi)部溫度的均勻。均熱塊內(nèi)設(shè)有16個(gè)加熱孔，呈兩圈環(huán)狀布置。每支加熱試管獨(dú)立放置在加熱孔中，彼此隔離，以提高試驗(yàn)的安全性。加熱時(shí)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(jì)孔，下部中心有溫度傳感器孔，分別用于安裝溫度計(jì)和熱電偶。加熱裝置組裝時(shí)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(shí)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?？刂葡鋬?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(jì)有安裝板，用于安裝控溫器件與供電線路。

3 測(cè)試系統(tǒng)

3.1 硬件部分

真空安定性在線測(cè)試系統(tǒng)硬件部分主要包括：安全控制部分、溫度信號(hào)采集、氣壓信號(hào)采集、報(bào)警系統(tǒng)和信號(hào)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(cè)試裝置主要用于對(duì)含能材料進(jìn)行熱分解試驗(yàn)。就試驗(yàn)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(guò)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(yàn)，其安全控制的關(guān)鍵技術(shù)是加熱過(guò)程中的溫度設(shè)定與恒溫控制，為防止試樣在加熱過(guò)程中發(fā)生意外情況爆炸對(duì)人員和財(cái)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(yàn)的最高加熱溫度，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)的最高值時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)恒溫運(yùn)行[1]；一旦恒溫控制失靈，系統(tǒng)將自動(dòng)觸發(fā)超溫報(bào)警裝置，試驗(yàn)人員只需通過(guò)程序點(diǎn)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(gè)試驗(yàn)的安全運(yùn)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(hào)采集。為保證測(cè)試精度，壓力信號(hào)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(hào)采集。壓力傳感器獲取電信號(hào)并遠(yuǎn)程傳輸?shù)浇K端控制室，在終端控制室再由PXI信號(hào)調(diào)理電路將AD信號(hào)轉(zhuǎn)換為DA信號(hào)，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(hào)采用RS485通信模式直接傳輸給遠(yuǎn)程工業(yè)計(jì)算機(jī)，進(jìn)行終端數(shù)據(jù)處理。

繼電器輸出控制電路。測(cè)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(guò)控制繼電器的通、斷從而控制供電電源的通、斷和報(bào)警系統(tǒng)的觸發(fā)運(yùn)行。當(dāng)空氣浴加熱裝置超溫運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)超溫報(bào)警裝置。當(dāng)試驗(yàn)人員點(diǎn)擊急停按鈕時(shí)，繼電器將自動(dòng)觸發(fā)加熱電源斷電。

信號(hào)處理系統(tǒng)。信號(hào)處理系統(tǒng)采用工業(yè)計(jì)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(jiǎn)單直觀。

3.2 軟件部分

系統(tǒng)軟件部分分為測(cè)試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)計(jì)算與管理系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要針對(duì)溫度、壓力信號(hào)的采集和監(jiān)測(cè)[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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)有加熱溫度遠(yuǎn)程控制功能，軟件通過(guò)預(yù)設(shè)加熱溫度參數(shù)可完成對(duì)空氣浴的恒溫控制和最大加熱溫度的控制。測(cè)試系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)有報(bào)警和急?？刂乒δ堋Ｔ跍y(cè)試系統(tǒng)軟件中編制有PID調(diào)理程序，將溫度測(cè)試形成閉環(huán)，以有效提高溫度控制精度和測(cè)量值的準(zhǔn)確度。測(cè)試系統(tǒng)主程序界面如圖3所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)主程序界面

數(shù)據(jù)計(jì)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(kù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，由單組分真空安定性數(shù)據(jù)計(jì)算模塊[3]、混合組分真空安定性數(shù)據(jù)計(jì)算模塊、均值真空安定性數(shù)據(jù)計(jì)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(jì)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算、分析、查詢、打印和數(shù)據(jù)管理功能，可在線自動(dòng)獲取測(cè)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(dòng)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(yàn)分析中獲取反應(yīng)凈增放氣量值(圖4)。根據(jù)程序自動(dòng)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(dòng)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(jì)算與管理系統(tǒng)程序主界面

4 結(jié)束語(yǔ)

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