炸藥熱分解反應(yīng)在線測(cè)試與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

楊菊輝 陳 捷 陸藺輝 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)

炸藥熱分解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究是火、炸藥工作者非常關(guān)注的領(lǐng)域，許多研究者曾作了大量工作，對(duì)于評(píng)價(jià)炸藥的熱分解行為，研究熱分解反應(yīng)機(jī)理起著重要作用。傳統(tǒng)的炸藥熱分析主要采用布魯屯壓力計(jì)法、熱失重試驗(yàn)及差熱分析等，人們利用這些方法研究炸藥的熱性能以及與接觸材料的相容性。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算數(shù)學(xué)的快速發(fā)展，以理想的試驗(yàn)速度來(lái)獲取準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)成為炸藥熱分解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究熱點(diǎn)。

筆者基于經(jīng)典布氏壓力法，采用虛擬儀器和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)設(shè)計(jì)研發(fā)炸藥熱分解反應(yīng)在線測(cè)試與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種定量試樣在定容、不同溫度條件下的量氣試驗(yàn)方法，可以研究復(fù)合環(huán)境條件下各試樣相容性的變化規(guī)律。

1 設(shè)計(jì)思路①

首先，將定量的炸藥試樣在定容、不同溫度和一定真空條件下受熱分解，釋放出氣體，傳感器捕獲到氣體信號(hào)，利用氣體信號(hào)與壓力傳感器量程間的線性理論關(guān)系換算為需要的壓力值。測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)上述氣體壓力值，在采集到氣體壓力的同時(shí)，同步在線分析出氣體放氣量。程序在線分析出氣體放氣量的前提下，依據(jù)溫度與反應(yīng)速度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，在線自動(dòng)分析出分解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基本參數(shù)活化能(Ea)和指前因子(A)。在得到熱分解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的Ea和A后，根據(jù)Berthelot方程，由程序自動(dòng)推算出樣品在不同溫度條件下分解深度達(dá)x%時(shí)的理論儲(chǔ)存壽命。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)課題的具體工藝要求，測(cè)量系統(tǒng)必須同時(shí)控制5套試驗(yàn)裝置，且每套裝置里設(shè)置一個(gè)爐體，每個(gè)爐體里放4種相同或不同的試樣。試驗(yàn)時(shí)5套裝置根據(jù)具體情況同時(shí)或不同時(shí)使用，每套裝置根據(jù)試驗(yàn)需求放置相應(yīng)數(shù)量的樣品，即測(cè)試裝置和測(cè)試樣品使用數(shù)量是靈活可變的?；谝陨显囼?yàn)工藝要求，控制系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)為模塊結(jié)構(gòu)，即每套試驗(yàn)裝置作為一個(gè)整體進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，每套裝置的所有試樣作為一個(gè)整體，再將化學(xué)試樣細(xì)分作為一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體。圖1為測(cè)控系統(tǒng)程序采用網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 硬件

系統(tǒng)硬件(圖2)設(shè)計(jì)為4個(gè)部分：安全聯(lián)鎖控制部分、溫度信號(hào)采集、氣壓信號(hào)采集和聲光報(bào)警部分。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1安全聯(lián)鎖控制

量氣法相容性試驗(yàn)存在不安全因素，筆者從4個(gè)方面進(jìn)行安全聯(lián)鎖設(shè)計(jì)，以最大程度地保證人員和設(shè)備的安全。5套裝置獨(dú)立運(yùn)行互不影響，任何裝置在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)只切斷出現(xiàn)異常裝置的供電電源，其余裝置繼續(xù)正常運(yùn)行。安全聯(lián)鎖設(shè)計(jì)具體如下：

a. 遠(yuǎn)程控制設(shè)備。試驗(yàn)操作與試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程隔離，為保證采集信號(hào)的精度，壓力傳感器設(shè)計(jì)為電流信號(hào)。溫度信號(hào)測(cè)量采用熱電阻，并在試驗(yàn)室通過(guò)人工智能調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。

b. 氣壓限制。設(shè)置試驗(yàn)理論氣壓預(yù)限值，當(dāng)采集氣壓高于預(yù)設(shè)氣壓，程序觸發(fā)安全聯(lián)鎖控制裝置，自動(dòng)切斷相應(yīng)裝置的加熱電源，并同步激活氣壓報(bào)警裝置，進(jìn)行超壓聲光報(bào)警。

c. 溫度限制。設(shè)置每套裝置的加熱溫度。當(dāng)采集溫度高于預(yù)設(shè)溫度，程序自動(dòng)觸發(fā)安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)切斷加熱電源，并同步激活超溫報(bào)警裝置，進(jìn)行超溫聲光報(bào)警。

d. 試驗(yàn)最高溫度恒溫設(shè)計(jì)。對(duì)每次試驗(yàn)工藝要求的最高溫度進(jìn)行恒溫設(shè)計(jì)。試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)加熱溫度到達(dá)最高時(shí)，軟件自動(dòng)觸發(fā)可控硅輸出保護(hù)電路，對(duì)加熱溫度進(jìn)行恒溫控制。

2.1.2氣壓和溫度數(shù)據(jù)采集

該部分主要負(fù)責(zé)氣壓和溫度信號(hào)的采集。試驗(yàn)只有在保證采集信號(hào)精度的前提下，才能有效保證數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確、合理。

為保證測(cè)試精度，壓力信號(hào)采集選用高溫壓力傳感器：采用多晶硅疊加技術(shù)使得耐溫有了大幅提高，瞬間耐高溫沖擊達(dá)1 000 ℃@≦2s；量程0～60MPa；測(cè)壓類型有表壓和絕壓；測(cè)量精度為0.25%BFS；模擬信號(hào)放大輸出為兩線制4～20mA；長(zhǎng)期穩(wěn)定性不大于0.25%/FS/a；相應(yīng)頻率0～500Hz@-3dB；補(bǔ)償溫度-25～+200℃；絕緣強(qiáng)度100MΩ；防爆等級(jí)IP65。

被測(cè)試樣加熱溫度由熱電阻傳感器進(jìn)行測(cè)量，所得模擬信號(hào)直接傳遞給智能調(diào)節(jié)器后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)直接遠(yuǎn)程傳輸?shù)娇刂剖?。AI調(diào)節(jié)器的測(cè)量精度0.2級(jí)(0.2%FS±0.1℃)、分辨率0.1℃、溫度漂移不大于0.001%FS/℃。

2.1.3PXI信號(hào)采集

壓力傳感器獲取的電流信號(hào)遠(yuǎn)傳至終端控制室后，由PXI信號(hào)調(diào)理電路將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(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通信直接傳遞給遠(yuǎn)程工業(yè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行終端數(shù)據(jù)處理。

2.1.4繼電器輸出控制電路

本套測(cè)試系統(tǒng)主要利用16路繼電器輸出控制，它的1～5路繼電器輸出通、斷信號(hào)控制試驗(yàn)裝置加熱電源的通、斷，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的安全聯(lián)鎖。6路和7路繼電器輸出通、斷控制超壓聲光報(bào)警裝置和超溫聲光報(bào)警裝置的通、斷，并自動(dòng)激活報(bào)警功能。

2.1.5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)，液晶顯示作為人機(jī)交互模塊，使得輸入輸出操作簡(jiǎn)單直觀。

2.2 軟件

軟件是整套測(cè)試系統(tǒng)的核心，將硬件采集到的電流和溫度信號(hào)按理論公式換算為數(shù)字信號(hào)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行換算、分析、處理及擬合等，最終得到不同試樣在不同溫度條件下的分解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)Ea、A和理論儲(chǔ)存壽命。

系統(tǒng)開發(fā)基于LabVIEW平臺(tái)，使用第三方JKI和Access建立獨(dú)立的進(jìn)程控制平臺(tái)和底端數(shù)據(jù)庫(kù)。提供了便捷的操作平臺(tái)和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理及分析等功能。系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程

底端數(shù)據(jù)庫(kù)采用第三方軟件，Microsoft Access，用于儲(chǔ)存和處理測(cè)試數(shù)據(jù)，快速分類和檢索數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)查詢和分析采用SQL設(shè)計(jì)，主程序與子程序間的進(jìn)程架構(gòu)采用JKI開發(fā)程序進(jìn)行控制平臺(tái)架構(gòu)。

2.2.1數(shù)據(jù)采集

壓力傳感器可以精確捕獲到各裝置中的氣壓信號(hào)，通過(guò)壓力傳感器的量程范圍將獲取的電流信號(hào)換算為氣體壓力。熱電阻獲取的模擬信號(hào)通過(guò)人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)換為溫度值。當(dāng)試驗(yàn)溫度低于150℃，系統(tǒng)默認(rèn)每30min自動(dòng)采樣一次；當(dāng)試驗(yàn)溫度高于150℃，系統(tǒng)默認(rèn)每分鐘采樣一次。該采樣頻率可以調(diào)整，操作人員只需輸入試驗(yàn)溫度和相應(yīng)的采樣頻率，系統(tǒng)將自動(dòng)按照用戶輸入的參數(shù)調(diào)整采樣頻率。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程全部自動(dòng)完成。

2.2.2系統(tǒng)安全聯(lián)鎖控制平臺(tái)

系統(tǒng)安全聯(lián)鎖控制平臺(tái)采用雙保險(xiǎn)方式設(shè)計(jì)，在主程序中設(shè)計(jì)有人機(jī)交互界面。在界面中輸入各試樣的氣體壓力預(yù)限值和加熱溫度預(yù)限值，當(dāng)系統(tǒng)采集到的氣體壓力和溫度不小于該預(yù)限值時(shí)，程序?qū)⑼接|發(fā)相應(yīng)的硬件保護(hù)裝置，自動(dòng)切斷供電電源并進(jìn)行聲光報(bào)警。

2.2.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

系統(tǒng)需要對(duì)在線測(cè)試數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行信息查詢、分析。為了實(shí)現(xiàn)該功能，系統(tǒng)創(chuàng)建了底端數(shù)據(jù)庫(kù)，用于對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行同步自動(dòng)存儲(chǔ)并按一定條件進(jìn)行信息查詢和分析。由于LabVIEW數(shù)據(jù)庫(kù)工具包只能操作而不能創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，本系統(tǒng)借助第三方數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)Access來(lái)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2.4數(shù)據(jù)處理與分析

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與分析完全借助于LabVIEW開發(fā)，軟件基于定量試樣在定容且不同溫度條件下受熱分解，釋放氣體壓力理論公式、布氏壓力法(玻璃薄膜壓力計(jì)法)和在熱分解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)知識(shí)和相關(guān)技術(shù)，創(chuàng)建了Berthelot方程。

3 結(jié)束語(yǔ)

為驗(yàn)證熱分解反應(yīng)在線測(cè)試與數(shù)據(jù)系統(tǒng)的性能，在實(shí)驗(yàn)室采用炸藥材料對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)不間斷的長(zhǎng)期試驗(yàn)(幾個(gè)月)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行人工理論分析，將人工分析結(jié)果與測(cè)試系統(tǒng)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出系統(tǒng)程序分析的結(jié)果與人工分析結(jié)果一致，說(shuō)明該套系統(tǒng)設(shè)計(jì)是合理的，達(dá)到了預(yù)期的效果。

炸藥熱分解反應(yīng)在線測(cè)試與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)充分利用了LabVIEW的強(qiáng)大功能，開發(fā)出界面友好、功能完備的集測(cè)試與分析于一體的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的試驗(yàn)證實(shí)該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、界面友好且操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)分析結(jié)果與人工分析結(jié)果也非常一致。同時(shí)，極大地降低了測(cè)試人員的工作強(qiáng)度。