炸药真空安定性试验在线测试系统的设计与实现

杨菊辉 陈 捷 王晓英 刘冀川

(中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621900)

真空安定性测试系统是专门用于测定真空安定性的仪器，主要包括恒温控制、温度检测和压力检测三大部分。目前，中国工程物理研究院化工材料研究所已自主研发出真空安定性测试系统一代、二代和三代机，并且不断在原有设计基础上进行改进，逐步实现了整套测试系统的一体化、小型化和智能化。不仅有效提高了设备的测试能力与安全性，更为研制动态真空安定性测试装置，即量气法相容性在线测试与数据分析装置奠定了坚实的技术基础。笔者主要针对真空安定性测试系统第三代样机的研制进行详细介绍。

1 系统总体设计①

定量试样在定容、恒温和一定真空度条件下受热分解会释放出气体。释放出的气体可通过压力传感器进行检测，并根据特定的换算公式转换为标准状态下的气体体积，以评价试样的安定性和相容性。该方法已列为鉴定炸药或起爆药热分解安定性的标准方法。

系统总体设计包括空气浴加热装置设计和测试系统设计两部分。空气浴主要用于试样的加热，并保障试样在加热过程中受热分解。测试系统设计分为硬件部分和软件部分，硬件主要负责根据软件发出的指令完成相应的加热、控温和捕捉试样分解产生的气体压力与温度数据，并根据试验者的需要提供外部触发信号源。软件主要负责温度控制、温度采集与监测和气体压力采集与监测，并根据试样的物理属性及采集到的温度、压力等参数自动在线分析出单质真空和混合真空试样受热分解产生的气体放气量。测试系统总体结构如图1所示。

图1 测试系统总体结构框图

2 空气浴加热装置

空气浴加热装置采用电加热方式，空气浴炉体中放置加热试管，炉体主要由底板、壳体、盖板、均热块和加热套(也称加热环)组成。炉体外壳采用内、外双层筒壁结构，以增强保温效果。底板与盖板均采用1Cr18Ni9不锈钢材料，具有较高的强度和耐腐蚀性。中间均热块选用硬铝2A12，具有良好的传热性。加热套(内含电加热丝的镀锌铁皮)紧密围住均热块，提供加热功能，其长度和高度与均热块相当，以保证整个箱体内部温度的均匀。均热块内设有16个加热孔，呈两圈环状布置。每支加热试管独立放置在加热孔中，彼此隔离，以提高试验的安全性。加热时热量由加热环传入均热块，从而使试管中的试样受热分解。均热块上部中心有温度计孔，下部中心有温度传感器孔，分别用于安装温度计和热电偶。加热装置组装时还需在均热块的上、下面各衬垫一层石棉板。导热体与双层筒壁之间需填充保温隔热材料，同时壳体与均热块之间的保温层也需要用保温隔热材料塞满。

炉体下方的控制箱主要用于放置炉体和安装温控表。控制箱内部由角钢焊接成框架式结构，具有较强的承载能力；面板与框架采用螺纹连接方式，并装有提手，便于拆卸；箱内设计有安装板，用于安装控温器件与供电线路。

3 测试系统

3.1 硬件部分

真空安定性在线测试系统硬件部分主要包括：安全控制部分、温度信号采集、气压信号采集、报警系统和信号处理系统(图2)。

图2 系统硬件结构框图

安全控制部分。真空安定性在线测试装置主要用于对含能材料进行热分解试验。就试验本身而言，存在一定的安全隐患，如加热温度失控导致试管内的炸药爆燃及炸药热分解释放的气体压力超过试管耐压极限而发生爆炸等。根据炸药本身特性和现有经验，其安全控制的关键技术是加热过程中的温度设定与恒温控制，为防止试样在加热过程中发生意外情况爆炸对人员和财产产生危害，装置主要从温度设定与控制入手处理，即严格控制试验的最高加热温度，当温度达到预设的最高值时，系统将会恒温运行[1]；一旦恒温控制失灵，系统将自动触发超温报警装置，试验人员只需通过程序点击急停按钮，即可立刻切断空气浴的加热电源，从而保障整个试验的安全运行。

气压、温度数据采集。该部分主要负责气压和温度信号采集。为保证测试精度，压力信号采集选用的压力变送器量程为0～100kPa，精度±0.25%；数字压力表的量程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；空气浴温控表的温度范围50～300℃，分度值0.1℃，控温精度±0.5℃。

PXI信号采集。压力传感器获取电信号并远程传输到终端控制室，在终端控制室再由PXI信号调理电路将AD信号转换为DA信号，然后由模/数转换电路做进一步数据处理。AI智能工业调节器获取的温度信号采用RS485通信模式直接传输给远程工业计算机，进行终端数据处理。

继电器输出控制电路。测试系统中，主要利用研华工业控制继电器卡进行输出控制，系统程序通过控制继电器的通、断从而控制供电电源的通、断和报警系统的触发运行。当空气浴加热装置超温运行时，系统会自动触发超温报警装置。当试验人员点击急停按钮时，继电器将自动触发加热电源断电。

信号处理系统。信号处理系统采用工业计算机作为主机，液晶显示屏作为人机交互模块，使得输入和输出操作简单直观。

3.2 软件部分

系统软件部分分为测试系统和数据计算与管理系统。测试系统软件设计主要针对温度、压力信号的采集和监测[2]，人机交互界面可直观反映加热温度和试管内的压力值，并具有实时数据保存功能。系统设计有加热温度远程控制功能，软件通过预设加热温度参数可完成对空气浴的恒温控制和最大加热温度的控制。测试系统程序设计有报警和急停控制功能。在测试系统软件中编制有PID调理程序，将温度测试形成闭环，以有效提高温度控制精度和测量值的准确度。测试系统主程序界面如图3所示。

图3 测试系统主程序界面

数据计算与管理系统是后端处理程序，是一种典型的数据库开发应用程序，由单组分真空安定性数据计算模块[3]、混合组分真空安定性数据计算模块、均值真空安定性数据计算模块及系统管理模块等组成。该系统采用Visual Foxpro设计，具有强大的数据计算、分析、查询、打印和数据管理功能，可在线自动获取测试系统中采集到的温度和气体压力值，并根据试样的物理参数(如质量、密度及试管体积等)自动分析出单质真空、混合真空和均值真空试样在标准状态下释放气体体积量和在相容性试验分析中获取反应净增放气量值(图4)。根据程序自动分析出每克试样在一定条件下获取的放气量体积,从而确定炸药和火药的安定性是否合格；根据反应容器的净增放气量值的大小，从而可自动判断出炸药和火药是相容、中等反应还是不相容。

图4 数据计算与管理系统程序主界面

4 结束语

真空安定性在线测试系统充分利用了LabVIEW和Visual Foxpro的强大功能，开发出界面友好、功能完备的集测试、分析于一体的自动测试系统。该测试装置投入使用后，性能稳定、界面友好、操作简单。到目前为止，该设备未出现任何故障。