一種核電站爆破閥起爆組件的性能測試系統(tǒng)研制

摘要：爆破閥是核電機組特有的設(shè)備之一，具有低壓降、零泄漏等特點，使電廠在正常運行期間保證閥門無泄漏，且能在發(fā)生事故時接收開啟信號，可靠的打開閥門，實現(xiàn)電廠要求的自動泄壓、低壓安注和安全殼再循環(huán)等功能。爆破閥起爆組件性能測試系統(tǒng)，是為爆破閥起爆組件產(chǎn)品進行智能化試驗測試所研制的測試設(shè)備，對爆破時藥筒內(nèi)的壓力信號進行數(shù)據(jù)采集并分析，存儲相關(guān)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，幫助組件設(shè)計人員提高產(chǎn)品質(zhì)量，保證組件在現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境下可靠穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：核電站? 爆破閥起爆組件? 數(shù)據(jù)采集? 性能試驗

1 引言

優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品質(zhì)量離不開性能可靠的測試測量儀器。對爆破閥起爆組件測試而言，傳統(tǒng)臺式數(shù)字化儀是最常用的測試設(shè)備。隨著技術(shù)的發(fā)展，爆破閥起爆組件需要監(jiān)測的通道不斷增加，對數(shù)據(jù)傳輸速率和設(shè)備存儲容量也提出了更高的要求。而現(xiàn)有的臺式數(shù)字化儀測量通道數(shù)目較少，通道擴展成本高，且不能高效的進行數(shù)據(jù)的實時在線分析及存儲，已然無法滿足多通道爆破閥起爆組件的測試需求。本文描述的爆破閥起爆組件性能測試系統(tǒng)具備32通道的模擬信號采集、存儲、分析處理和實時顯示等能力。測試系統(tǒng)還能實時存儲所有的原始數(shù)據(jù)和處理結(jié)果并對歷史數(shù)據(jù)進行回放，從而對測試場景進行復(fù)現(xiàn)。這能夠幫助產(chǎn)品研發(fā)測試工程師更有效的定位問題并解決問題。

2 測試裝置架構(gòu)及工作原理

爆破閥起爆組件測試系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。整套測試系統(tǒng)包括壓力傳感器、PXI數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、點火裝置、顯示器和上位機信號測試測量分析軟件。點火裝置產(chǎn)生3.7A的電流觸發(fā)信號，位于藥筒中的爆破閥在接收到觸發(fā)信號后起爆，分布在藥筒上的壓力傳感器產(chǎn)生電壓電流信號，經(jīng)過信號調(diào)理板后轉(zhuǎn)換成便于數(shù)據(jù)采集平臺采集的電壓信號。數(shù)據(jù)采集平臺以250KS/s的采樣率進行AD采樣并對相關(guān)數(shù)據(jù)進行實時顯示、分析處理及存儲等操作。

3 裝置設(shè)計分析

3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1.1 數(shù)據(jù)采集平臺介紹

數(shù)據(jù)采集平臺選用業(yè)界主流的PXI硬件架構(gòu)，成熟的模塊化數(shù)據(jù)采集板卡，性能穩(wěn)定可靠，維護非常方便。數(shù)據(jù)采集平臺主要有PXIe機箱、PXIe控制器和同步電壓采集卡組成，系統(tǒng)原理如圖2所示。

其中，PXIe控制器負責數(shù)據(jù)的運算、分析和處理等操作并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C中;PXIe機箱共有9個插槽，為控制器和數(shù)據(jù)采集板卡供電，同時提供數(shù)據(jù)傳輸通道和同步信號路由;每張電壓同步采集卡有8路同步采集通道，每個通道都有獨立的ADC，采樣率最高250KS/s，4張板卡共計32路通道，板卡之間通過共用同一個背板參考時鐘，實現(xiàn)板卡間的同步采集，同步精度可達us級，可以滿足傳感器的測試需求。如果后續(xù)要增加采集通道，擴展也非常方便，直接插入新的板卡即可，軟件中也會預(yù)留相應(yīng)的控制接口。

3.1.2 信號調(diào)理模塊設(shè)計

傳感器輸出的4～20mA的電流信號在進入采集板卡之前需要先進行必要的信號調(diào)理，轉(zhuǎn)換成適合數(shù)據(jù)采集板卡采集的形式。信號調(diào)理模塊具備以下功能：

1）為信號輸入接口提供必要的過壓和過流保護;

2）每個調(diào)理通道具備精密電阻，負責把4～20mA的電流信號轉(zhuǎn)換為10V以內(nèi)的電壓信號，便于后端采集板卡直接采集;

3）每個通道均提供傳感器所需的激勵電流;

4）系統(tǒng)內(nèi)置高精度校準源，結(jié)合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可完成調(diào)理系統(tǒng)的自校準。

通過系統(tǒng)自帶的驅(qū)動程序和SPI總線控制接口，可靈活配置各通道的測量類型和參數(shù)，實現(xiàn)測量系統(tǒng)的軟件定義，具備傳統(tǒng)測試儀器無法比擬的靈活性。

3.1.3 傳感器選型

根據(jù)爆破閥在爆破時藥筒內(nèi)產(chǎn)生的壓力情況，分別選擇量程均為0～600bar的壓電式壓力傳感器和應(yīng)變式壓力傳感器。傳感器選型如表1所示。

3.2軟件架構(gòu)和功能

在硬件平臺的基礎(chǔ)上，基于強大、易用、開源的測控系統(tǒng)開發(fā)平臺以自主開發(fā)的智能數(shù)采架構(gòu)，實現(xiàn)爆破閥測試系統(tǒng)的軟件功能。圖3為智能數(shù)采架構(gòu)的結(jié)構(gòu)框圖。

由下至上看，數(shù)據(jù)采集部分由采集模塊驅(qū)動、同步功能驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集引擎以及數(shù)據(jù)存儲引擎等幾部分組成。其中，數(shù)據(jù)采集引擎是數(shù)據(jù)采集部分的核心，負責根據(jù)當前系統(tǒng)及通道的設(shè)置信息來調(diào)用底層的采集模塊驅(qū)動以及系統(tǒng)同步功能驅(qū)動，在系統(tǒng)硬件的支持下完成高可靠的數(shù)據(jù)采集與處理任務(wù)，同時支持多智能數(shù)采系統(tǒng)之間的同步采集。

數(shù)據(jù)存儲引擎負責根據(jù)當前系統(tǒng)及通道的設(shè)置信息（與數(shù)據(jù)存儲相關(guān)的信息）來完成對采集數(shù)據(jù)的本地存儲，以便后續(xù)上位機通過FTP進行數(shù)據(jù)文件的離線下載。數(shù)據(jù)存儲引擎目前支持連續(xù)分時存儲、定時選擇存儲以及通道觸發(fā)存儲等常用存儲機制，可滿足大部分的使用。智能數(shù)采架構(gòu)的通信部分由數(shù)據(jù)接口、控制接口和調(diào)試接口等三部分組成，它們之間協(xié)同完成智能數(shù)采系統(tǒng)與上位機之間信息和數(shù)據(jù)的交互。

測試系統(tǒng)軟件基于智能數(shù)采架構(gòu)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)系統(tǒng)自檢、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析與處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)流盤與回放、報表生成等功能。具體功能如下：

1）系統(tǒng)自檢功能

測試系統(tǒng)在運行之前，會對設(shè)備的系統(tǒng)運行情況進行自檢，主要是對系統(tǒng)的采集模塊進行掃描，并顯示模塊的工作狀態(tài)是否正常。

2）參數(shù)配置功能

針對不同的測試項目能夠靈活的進行板卡通道的配置，主要是對采集通道的采樣率、采樣點數(shù)、輸入范圍及觸發(fā)方式等參數(shù)進行配置;對傳感器的配置主要是靈敏度和比例因子的配置。

3）數(shù)據(jù)采集功能

對規(guī)定測點的電流電壓信號進行采集，包括壓電式壓力傳感器電荷信號、應(yīng)變式壓力傳感器電壓信號和點火裝置的脈沖信號。

4）數(shù)據(jù)分析與處理功能

對試驗數(shù)據(jù)或曲線進行傅立葉變換、逆傅立葉變換、數(shù)字濾波、求和、求平均、最大值、最小值、均方根、三角函數(shù)等運算，最大值與最小值可通過光標自動捕捉，并在屏幕顯示其數(shù)據(jù)。

5）數(shù)據(jù)顯示功能

對原始電壓信號、電流信號和脈沖信號的實時顯示，包括時域波形顯示和頻域顯示。并實時顯示各傳感器曲線的峰值壓力、壓力下限以及到達壓力下限時間等信息。

6）數(shù)據(jù)存儲與回放功能

對傳感器采集的所有原始數(shù)據(jù)進行穩(wěn)定持續(xù)的存儲，并保證數(shù)據(jù)的完整性和安全性。同時可以對已存儲的數(shù)據(jù)文件進行歷史數(shù)據(jù)回放，便于查看并發(fā)現(xiàn)潛在的異常數(shù)據(jù)。

7）報表生成功能

導(dǎo)入事先編輯好的報告模板，文件格式word或excel均可。軟件運行后直接把計算結(jié)果按照模板格式自動生成并打印，提高測試效率。

4 性能分析

在爆破閥性能測試系統(tǒng)所有功能模塊運行穩(wěn)定后，進一步驗證爆破閥性能測試系統(tǒng)在測量精度方面的準確性和一致性。采用業(yè)界公認的高精度信號源Fluke 5500分別生成頻率為50Hz的標準正弦波、方波和三角波電流信號，通過20歐姆阻值的取樣電阻，然后輸入到爆破閥性能測試系統(tǒng)中。將測試系統(tǒng)計算結(jié)果與理論值進行對比，從而評估測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)測量的準確性。對比試驗涵蓋系統(tǒng)所有測試通道。

通過測量值和理論值的對比分析可以看出，在本測量環(huán)境下，基本信號參數(shù)計算精度在1‰，電能分析的諧波計算誤差除個別頻點外，均能保證在1%。

5 總結(jié)

本文所述的爆破閥起爆組件性能測試系統(tǒng)具備32路的模擬信號采集、顯示、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲等功能，能夠滿足目前爆破閥起爆組件產(chǎn)品的測試需求。測試系統(tǒng)還能夠持續(xù)記錄原始數(shù)據(jù)并對分析結(jié)果進行回放。

該測試系統(tǒng)的測試測量精度經(jīng)過具備CNAS計量認證資質(zhì)的第三方計量機構(gòu)檢驗認證，被測參數(shù)與理論計算值進行了一一對比驗證，確保了測試系統(tǒng)的測試精度。該測試系統(tǒng)作為測試工具用于爆破閥起爆組件產(chǎn)品的性能測試，對產(chǎn)品質(zhì)量和性能的提升有積極作用。

作者簡介

葛子平，1986年1月，男，籍貫：河南林州，漢族，碩士研究生，職稱：助理工程師，研究方向：自動化儀器儀表。