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。
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。
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)
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。
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。
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。