一种核电站爆破阀起爆组件的性能测试系统研制

摘要：爆破阀是核电机组特有的设备之一，具有低压降、零泄漏等特点，使电厂在正常运行期间保证阀门无泄漏，且能在发生事故时接收开启信号，可靠的打开阀门，实现电厂要求的自动泄压、低压安注和安全壳再循环等功能。爆破阀起爆组件性能测试系统，是为爆破阀起爆组件产品进行智能化试验测试所研制的测试设备，对爆破时药筒内的压力信号进行数据采集并分析，存储相关数据和分析结果，帮助组件设计人员提高产品质量，保证组件在现场应用环境下可靠稳定运行。

关键词：核电站  爆破阀起爆组件  数据采集  性能试验

1 引言

优质的产品质量离不开性能可靠的测试测量仪器。对爆破阀起爆组件测试而言，传统台式数字化仪是最常用的测试设备。随着技术的发展，爆破阀起爆组件需要监测的通道不断增加，对数据传输速率和设备存储容量也提出了更高的要求。而现有的台式数字化仪测量通道数目较少，通道扩展成本高，且不能高效的进行数据的实时在线分析及存储，已然无法满足多通道爆破阀起爆组件的测试需求。本文描述的爆破阀起爆组件性能测试系统具备32通道的模拟信号采集、存储、分析处理和实时显示等能力。测试系统还能实时存储所有的原始数据和处理结果并对历史数据进行回放，从而对测试场景进行复现。这能够帮助产品研发测试工程师更有效的定位问题并解决问题。

2 测试装置架构及工作原理

爆破阀起爆组件测试系统架构如图1所示。整套测试系统包括压力传感器、PXI数据采集服务器、点火装置、显示器和上位机信号测试测量分析软件。点火装置产生3.7A的电流触发信号，位于药筒中的爆破阀在接收到触发信号后起爆，分布在药筒上的压力传感器产生电压电流信号，经过信号调理板后转换成便于数据采集平台采集的电压信号。数据采集平台以250KS/s的采样率进行AD采样并对相关数据进行实时显示、分析处理及存储等操作。

3 装置设计分析

3.1结构设计

3.1.1 数据采集平台介绍

数据采集平台选用业界主流的PXI硬件架构，成熟的模块化数据采集板卡，性能稳定可靠，维护非常方便。数据采集平台主要有PXIe机箱、PXIe控制器和同步电压采集卡组成，系统原理如图2所示。

其中，PXIe控制器负责数据的运算、分析和处理等操作并把数据传输到上位机中;PXIe机箱共有9个插槽，为控制器和数据采集板卡供电，同时提供数据传输通道和同步信号路由;每张电压同步采集卡有8路同步采集通道，每个通道都有独立的ADC，采样率最高250KS/s，4张板卡共计32路通道，板卡之间通过共用同一个背板参考时钟，实现板卡间的同步采集，同步精度可达us级，可以满足传感器的测试需求。如果后续要增加采集通道，扩展也非常方便，直接插入新的板卡即可，软件中也会预留相应的控制接口。

3.1.2 信号调理模块设计

传感器输出的4～20mA的电流信号在进入采集板卡之前需要先进行必要的信号调理，转换成适合数据采集板卡采集的形式。信号调理模块具备以下功能：

1）为信号输入接口提供必要的过压和过流保护;

2）每个调理通道具备精密电阻，负责把4～20mA的电流信号转换为10V以内的电压信号，便于后端采集板卡直接采集;

3）每个通道均提供传感器所需的激励电流;

4）系统内置高精度校准源，结合数据采集系统可完成调理系统的自校准。

通过系统自带的驱动程序和SPI总线控制接口，可灵活配置各通道的测量类型和参数，实现测量系统的软件定义，具备传统测试仪器无法比拟的灵活性。

3.1.3 传感器选型

根据爆破阀在爆破时药筒内产生的压力情况，分别选择量程均为0～600bar的压电式压力传感器和应变式压力传感器。传感器选型如表1所示。

3.2软件架构和功能

在硬件平台的基础上，基于强大、易用、开源的测控系统开发平台以自主开发的智能数采架构，实现爆破阀测试系统的软件功能。图3为智能数采架构的结构框图。

由下至上看，数据采集部分由采集模块驱动、同步功能驱动、数据采集引擎以及数据存储引擎等几部分组成。其中，数据采集引擎是数据采集部分的核心，负责根据当前系统及通道的设置信息来调用底层的采集模块驱动以及系统同步功能驱动，在系统硬件的支持下完成高可靠的数据采集与处理任务，同时支持多智能数采系统之间的同步采集。

数据存储引擎负责根据当前系统及通道的设置信息（与数据存储相关的信息）来完成对采集数据的本地存储，以便后续上位机通过FTP进行数据文件的离线下载。数据存储引擎目前支持连续分时存储、定时选择存储以及通道触发存储等常用存储机制，可满足大部分的使用。智能数采架构的通信部分由数据接口、控制接口和调试接口等三部分组成，它们之间协同完成智能数采系统与上位机之间信息和数据的交互。

測试系统软件基于智能数采架构的基础上，实现系统自检、参数配置、数据采集、数据分析与处理、数据显示、数据流盘与回放、报表生成等功能。具体功能如下：

1）系统自检功能

测试系统在运行之前，会对设备的系统运行情况进行自检，主要是对系统的采集模块进行扫描，并显示模块的工作状态是否正常。

2）参数配置功能

针对不同的测试项目能够灵活的进行板卡通道的配置，主要是对采集通道的采样率、采样点数、输入范围及触发方式等参数进行配置;对传感器的配置主要是灵敏度和比例因子的配置。

3）数据采集功能

对规定测点的电流电压信号进行采集，包括压电式压力传感器电荷信号、应变式压力传感器电压信号和点火装置的脉冲信号。

4）数据分析与处理功能

对试验数据或曲线进行傅立叶变换、逆傅立叶变换、数字滤波、求和、求平均、最大值、最小值、均方根、三角函数等运算，最大值与最小值可通过光标自动捕捉，并在屏幕显示其数据。

5）数据显示功能

对原始电压信号、电流信号和脉冲信号的实时显示，包括时域波形显示和频域显示。并实时显示各传感器曲线的峰值压力、压力下限以及到达压力下限时间等信息。

6）数据存储与回放功能

对传感器采集的所有原始数据进行稳定持续的存储，并保证数据的完整性和安全性。同时可以对已存储的数据文件进行历史数据回放，便于查看并发现潜在的异常数据。

7）报表生成功能

导入事先编辑好的报告模板，文件格式word或excel均可。软件运行后直接把计算结果按照模板格式自动生成并打印，提高测试效率。

4 性能分析

在爆破阀性能测试系统所有功能模块运行稳定后，进一步验证爆破阀性能测试系统在测量精度方面的准确性和一致性。采用业界公认的高精度信号源Fluke 5500分别生成频率为50Hz的标准正弦波、方波和三角波电流信号，通过20欧姆阻值的取样电阻，然后输入到爆破阀性能测试系统中。将测试系统计算结果与理论值进行对比，从而评估测试系统数据测量的准确性。对比试验涵盖系统所有测试通道。

通过测量值和理论值的对比分析可以看出，在本测量环境下，基本信号参数计算精度在1‰，电能分析的谐波计算误差除个别频点外，均能保证在1%。

5 总结

本文所述的爆破阀起爆组件性能测试系统具备32路的模拟信号采集、显示、数据处理和数据存储等功能，能够满足目前爆破阀起爆组件产品的测试需求。测试系统还能够持续记录原始数据并对分析结果进行回放。

该测试系统的测试测量精度经过具备CNAS计量认证资质的第三方计量机构检验认证，被测参数与理论计算值进行了一一对比验证，确保了测试系统的测试精度。该测试系统作为测试工具用于爆破阀起爆组件产品的性能测试，对产品质量和性能的提升有积极作用。

作者简介

葛子平，1986年1月，男，籍贯：河南林州，汉族，硕士研究生，职称：助理工程师，研究方向：自动化仪器仪表。