陳志軍，韓利峰，陳永忠

（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 反應(yīng)堆系統(tǒng)工程技術(shù)部，上海 201800）

0 引言

熔鹽堆使用高溫熔鹽作為燃料和冷卻劑[1]，熔鹽堆壓力計(jì)需要對(duì)熔鹽回路的壓力和壓差進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)量、顯示和記錄，從而監(jiān)督熔鹽堆熱工系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀況，保證堆的安全可靠運(yùn)行，同時(shí)為熔鹽堆功率和熱工系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)提供信號(hào)，并為堆上各實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。目前，市面上現(xiàn)有的商業(yè)化壓力標(biāo)定裝置基本上都是在常溫和水油介質(zhì)下進(jìn)行的，暫時(shí)還沒(méi)有針對(duì)高溫（大于600℃）熔鹽介質(zhì)工況下的壓力標(biāo)定裝置。因此，急需建立一套高溫壓力計(jì)的標(biāo)定平臺(tái)[2]，在高溫熔鹽環(huán)境下對(duì)壓力計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，以確定壓力計(jì)的準(zhǔn)確度。

圖1 標(biāo)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Calibration system structure

本文以填充N(xiāo)aK 遠(yuǎn)傳隔膜式熔鹽壓力計(jì)作為待標(biāo)定壓力計(jì)，根據(jù)壓力計(jì)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[3]的要求，建立了一套基于LabVIEW 的高溫壓力計(jì)標(biāo)定系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高溫壓力計(jì)在熔鹽環(huán)境下的自動(dòng)化測(cè)試和標(biāo)定。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖1 所示，標(biāo)定系統(tǒng)主要由氬氣瓶、壓力控制器、真空泵、高溫爐、測(cè)試工裝、熔鹽壓力計(jì)、LabVIEW 機(jī)箱、數(shù)字萬(wàn)用表等組成。

PACE5000 壓力控制器是德魯克公司新一代的模塊化、高精度壓力控制器和指示儀。 PACE5000 壓力控制器和氬氣瓶組成標(biāo)準(zhǔn)壓力源，其輸出壓力范圍為0MPa ～1MPa，控制精度為0.02%FS，控制穩(wěn)定性為0.003%FS，其壓力控制由LabVIEW 程序?qū)崿F(xiàn)。LabVIEW 機(jī)箱要向壓力控制器發(fā)送控制命令并采集壓力反饋值，就必須采用可靠的連接實(shí)現(xiàn)兩者的通訊，PACE5000 壓力控制器有RS232、IEEE-488 等通訊接口，而對(duì)于LabVIEW 開(kāi)發(fā)環(huán)境，RS232 串口通訊更加容易實(shí)現(xiàn)。因此，壓力控制器通過(guò)RS232 串口連接LabVIEW 機(jī)箱，實(shí)現(xiàn)壓力的自動(dòng)控制與壓力反饋值的采集和記錄。

高溫爐用來(lái)加熱熔鹽以及熔鹽壓力計(jì)的高溫隔膜部分，其控制部分采用了爐子自帶的溫度控制器。溫度反饋的測(cè)量采用K 型熱電偶，用來(lái)監(jiān)測(cè)熔鹽的實(shí)時(shí)溫度，K 型熱電偶通過(guò)溫度采集模塊與LabVIEW 機(jī)箱連接，經(jīng)LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)溫度信號(hào)的采集和記錄。

由于熔鹽溫度較高，且?guī)в懈g性。因此，測(cè)試工裝采用Inconel718 材料以保證其可靠性。測(cè)試工裝與熔鹽壓力計(jì)的高溫隔膜通過(guò)螺栓連接固定，螺栓的材料也為Inconel718，為保證其密封性，測(cè)試工裝與熔鹽壓力計(jì)的高溫隔膜之間放置石墨纏繞金屬墊片進(jìn)行密封。

熔鹽壓力計(jì)為填充N(xiāo)aK 遠(yuǎn)傳隔膜式壓力計(jì)，其高溫隔膜的厚度為0.2mm，直徑為80mm，材料為GH3535，高溫隔膜與壓力變送器之間的毛細(xì)管長(zhǎng)度為2m，毛細(xì)管中填充N(xiāo)aK 合金。其輸出為4mA ～20mA 標(biāo)準(zhǔn)二線制電流信號(hào)，通過(guò)數(shù)字萬(wàn)用表與LabVIEW 機(jī)箱連接，經(jīng)LabVIEW 程序?qū)崿F(xiàn)壓力計(jì)信號(hào)的采集轉(zhuǎn)換和記錄。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不寫(xiě)程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)和概念。因此，LabVIEW 是一個(gè)面向最終用戶(hù)的工具，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。本標(biāo)定系統(tǒng)才用了LabVIEW 作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

2.2 壓力控制器的自動(dòng)控制

PACE5000 壓力控制器采用SCPI 可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令（Standard Commands for Programmable Instruments），SCPI 于1990 與IEEE 488.2 協(xié)議一起面世。這套標(biāo)準(zhǔn)定義了可用于控制一切儀器的語(yǔ)法、命令結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)格式。比如，通用的命令，如配置儀器參數(shù)的命令CONFigure，測(cè)量命令MEASure 等。這些命令可用于任一儀器，并且同一類(lèi)的命令屬于同一子系統(tǒng)里。雖然它最開(kāi)始是和IEEE 488.2（即GPIB）面世的，但SCPI 控制命令也可用于串口（RS-232），以太網(wǎng)、USB 接口、VXIbus 等若干硬件總線。SCPI 相似的命令可以被歸類(lèi)成一種層狀或樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。例如，任何讀取PACE5000 輸入狀態(tài)的命令均可以INP 開(kāi)，特定的子命令以冒號(hào)同上級(jí)命令分隔開(kāi)。例如，讀取PACE5000 開(kāi)關(guān)輸入狀態(tài)的命令形式為INP:LOG:STAT。

VISA 是虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)的縮寫(xiě)（即Virtual Instruments Software Architecture），實(shí)質(zhì)上是一個(gè)I/O 口軟件庫(kù)及其規(guī)范的總稱(chēng)。VISA 是應(yīng)用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/0應(yīng)用程序接口，是工業(yè)界通用的儀器驅(qū)動(dòng)器標(biāo)準(zhǔn)API（應(yīng)用程序接口），采用面向?qū)ο缶幊?，具有很好的兼容性、擴(kuò)展性和獨(dú)立性。用戶(hù)可用一個(gè)API 控制包括VXI、GPIB及串口儀器在內(nèi)的不同種類(lèi)的儀器。它還支持多平臺(tái)工作、多接口控制，是一個(gè)多類(lèi)型的函數(shù)庫(kù)。在LabVIEW 中編寫(xiě)的VISA 接口程序，當(dāng)外部設(shè)備變更時(shí)，只需要更換幾個(gè)程序模塊即可使用，簡(jiǎn)單方便而且開(kāi)發(fā)效率高。

PACE5000 壓力控制器的控制程序由SCPI 語(yǔ)言結(jié)合VISA 在LabVIEW 環(huán)境下編寫(xiě)，首先進(jìn)行串口通訊初始化，需要設(shè)定波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗(yàn)位等，如圖2 所示。然后把SCPI 命令“SOUR”送給壓力控制器，進(jìn)行壓力的控制，如圖3 所示。再把SCPI 命令“：SENS?” 送給壓力控制器，進(jìn)行壓力的讀取，如圖4 所示。

2.3 數(shù)字萬(wàn)用表的數(shù)據(jù)讀取

圖2 串口通訊初始化Fig.2 Serial communication initialization

圖3 設(shè)定壓力值Fig.3 Set the pressure value

圖4 讀取壓力值Fig.4 Reading the pressure value

PXI-4071 是一款7 位半FlexDMM 高性能、多功能的3U PXI 模塊，可提供兩種常用測(cè)試儀器的測(cè)量功能，即高分辨率的數(shù)字萬(wàn)用表以及數(shù)字化儀。作為一款數(shù)字萬(wàn)用表，PXI-4071 可快速準(zhǔn)確地進(jìn)行±10nV ～1000V 范圍內(nèi)的電壓測(cè)量、±1pA ～3A 范圍內(nèi)的電流測(cè)量、10 μΩ ～5GΩ的電阻測(cè)量，以及頻率/周期和二極管測(cè)量。在高電壓隔離數(shù)字化儀模式下，PXI-4071 能以1.8 MS/s 的采集速率，采集到所有電壓和電流模式下的DC 波形。

采用NIDMM 工具包可實(shí)現(xiàn)PXI-4071 的初始化，如圖5 所示，以及PXI-4071 的數(shù)據(jù)讀取，如圖6 所示。

2.4 精度和重復(fù)性的計(jì)算

在LABVIEW 軟件中，為了程序的簡(jiǎn)潔性和調(diào)試方便性，創(chuàng)建了精度和重復(fù)性計(jì)算的子VI 程序，如圖7 所示。其輸入為電流壓力轉(zhuǎn)換系數(shù)k 和b 以及正行程電流值IU 和反行程電流值ID，輸出為子樣誤差s、精度ACCU 和重復(fù)性ζR。

2.5 標(biāo)定程序設(shè)計(jì)

圖5 PXI-4071的初始化Fig.5 Initialization of PXI-4071

系統(tǒng)的標(biāo)定過(guò)程為自動(dòng)模式，首先設(shè)置待標(biāo)定壓力計(jì)的量程，根據(jù)壓力計(jì)量程和壓力計(jì)輸出電流的關(guān)系設(shè)置標(biāo)定系數(shù)；然后設(shè)置壓力的步值，在標(biāo)定的正行程中，起始標(biāo)定點(diǎn)的壓力值為量程的下限值，每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)壓力值為上一點(diǎn)的壓力值加上壓力步值，正行程的終止點(diǎn)為量程的上限值，在標(biāo)定的逆行程中，起始標(biāo)定點(diǎn)的壓力值為量程的上限值，每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)壓力值為上一點(diǎn)的壓力值減去壓力步值，逆行程的終止點(diǎn)為量程的下限值；最后設(shè)置壓力穩(wěn)定時(shí)間（延時(shí)時(shí)間）以及標(biāo)定循環(huán)次數(shù)，點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕，待熔鹽的溫度達(dá)到設(shè)定值后，程序按照設(shè)定的標(biāo)定點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)行標(biāo)定，并將原始數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)保存到表格中，完成所有的標(biāo)定點(diǎn)數(shù)以及循環(huán)次數(shù)后自動(dòng)計(jì)算出壓力計(jì)的重復(fù)性和精度等指標(biāo)。程序流程如圖8 所示。

圖6 PXI-4071數(shù)據(jù)讀取Fig.6 PXI-4071 Data reading

3 系統(tǒng)工藝流程

圖8 標(biāo)定系統(tǒng)程序流程圖Fig.8 Calibration system program flow chart

圖9 熔鹽壓力計(jì)在650℃時(shí)的測(cè)試曲線Fig.9 Test curve of molten salt pressure gauge at 650℃

系統(tǒng)的工藝流程分3 個(gè)階段：首先是準(zhǔn)備階段，在測(cè)試工裝中放置塊狀固態(tài)熔鹽，將測(cè)試工裝與熔鹽壓力計(jì)通過(guò)螺栓固定連接，把K 型熱電偶放置在工裝的測(cè)溫孔中，然后把測(cè)試工裝與熔鹽壓力計(jì)的高溫隔膜部分放置在高溫爐里，熔鹽壓力計(jì)的變送器部分放在高溫爐外的室溫環(huán)境中，將所有氣路管道連接好；然后是測(cè)試階段，打開(kāi)球閥1 和球閥2，對(duì)氣路管道進(jìn)行抽真空，在真空度達(dá)到-101KPa左右時(shí)關(guān)閉球閥1 并啟動(dòng)高溫爐進(jìn)行加熱，開(kāi)啟LabVIEW程序進(jìn)行壓力計(jì)的標(biāo)定測(cè)試；標(biāo)定測(cè)試完成后關(guān)閉高溫爐，流程結(jié)束。

4 標(biāo)定實(shí)例

待標(biāo)定的壓力計(jì)為上海應(yīng)用物理研究所研制的填充N(xiāo)aK 遠(yuǎn)傳隔膜式熔鹽壓力計(jì)，其量程范圍為0KPa ～500KPa，精度等級(jí)為0.5 級(jí)，耐溫范圍為0℃～700℃。使用的熔鹽為氯化鹽，其配比（mol%）為33.0-21.6-45.4，熔點(diǎn)為383℃。

標(biāo)定溫度為650℃，標(biāo)定量程為0KPa ～300KPa，壓力標(biāo)定步值為50KPa，正行程由0KPa 開(kāi)始，以50KPa 步值升至300KPa；逆行程由300KPa 開(kāi)始，以50KPa 步值降至0KPa，總共循環(huán)3 次，結(jié)束后LabVIEW 程序自動(dòng)計(jì)算出壓力計(jì)的重復(fù)性和精度。測(cè)試曲線如圖9 所示，經(jīng)計(jì)算，熔鹽壓力計(jì)在650℃時(shí)的重復(fù)性為0.13%，精度為0.35%，符合其性能要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文開(kāi)發(fā)了一套能在高溫熔鹽環(huán)境下對(duì)壓力計(jì)進(jìn)行標(biāo)定的系統(tǒng)，通過(guò)壓力控制器和LabVIEW 機(jī)箱的串口通訊以及編程，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化標(biāo)定的目標(biāo)，最終完成了對(duì)熔鹽壓力計(jì)在650℃氯化鹽環(huán)境下的標(biāo)定測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，熔鹽壓力計(jì)的重復(fù)性和精度均滿足其性能要求，從而證明了該標(biāo)定系統(tǒng)的可靠性。