熔鹽堆高溫壓力計標定系統的研究

陳志軍，韓利峰，陳永忠

（中國科學院上海應用物理研究所 反應堆系統工程技術部，上海 201800）

0 引言

熔鹽堆使用高溫熔鹽作為燃料和冷卻劑[1]，熔鹽堆壓力計需要對熔鹽回路的壓力和壓差進行準確地測量、顯示和記錄，從而監督熔鹽堆熱工系統各個設備的運行狀況，保證堆的安全可靠運行，同時為熔鹽堆功率和熱工系統的自動控制系統和安全聯鎖系統提供信號，并為堆上各實驗系統提供數據。目前，市面上現有的商業化壓力標定裝置基本上都是在常溫和水油介質下進行的，暫時還沒有針對高溫（大于600℃）熔鹽介質工況下的壓力標定裝置。因此，急需建立一套高溫壓力計的標定平臺[2]，在高溫熔鹽環境下對壓力計進行標定，以確定壓力計的準確度。

圖1 標定系統結構圖Fig.1 Calibration system structure

本文以填充NaK 遠傳隔膜式熔鹽壓力計作為待標定壓力計，根據壓力計測試標準[3]的要求，建立了一套基于LabVIEW 的高溫壓力計標定系統，可實現高溫壓力計在熔鹽環境下的自動化測試和標定。

1 系統硬件設計

如圖1 所示，標定系統主要由氬氣瓶、壓力控制器、真空泵、高溫爐、測試工裝、熔鹽壓力計、LabVIEW 機箱、數字萬用表等組成。

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準壓力源，其輸出壓力范圍為0MPa ～1MPa，控制精度為0.02%FS，控制穩定性為0.003%FS，其壓力控制由LabVIEW 程序實現。LabVIEW 機箱要向壓力控制器發送控制命令并采集壓力反饋值，就必須采用可靠的連接實現兩者的通訊，PACE5000 壓力控制器有RS232、IEEE-488 等通訊接口，而對于LabVIEW 開發環境，RS232 串口通訊更加容易實現。因此，壓力控制器通過RS232 串口連接LabVIEW 機箱，實現壓力的自動控制與壓力反饋值的采集和記錄。

高溫爐用來加熱熔鹽以及熔鹽壓力計的高溫隔膜部分，其控制部分采用了爐子自帶的溫度控制器。溫度反饋的測量采用K 型熱電偶，用來監測熔鹽的實時溫度，K 型熱電偶通過溫度采集模塊與LabVIEW 機箱連接，經LabVIEW程序實現溫度信號的采集和記錄。

由于熔鹽溫度較高，且帶有腐蝕性。因此，測試工裝采用Inconel718 材料以保證其可靠性。測試工裝與熔鹽壓力計的高溫隔膜通過螺栓連接固定，螺栓的材料也為Inconel718，為保證其密封性，測試工裝與熔鹽壓力計的高溫隔膜之間放置石墨纏繞金屬墊片進行密封。

熔鹽壓力計為填充NaK 遠傳隔膜式壓力計，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管長度為2m，毛細管中填充NaK 合金。其輸出為4mA ～20mA 標準二線制電流信號，通過數字萬用表與LabVIEW 機箱連接，經LabVIEW 程序實現壓力計信號的采集轉換和記錄。

2 系統軟件設計

2.1 LabVIEW軟件開發平臺

LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語言的開發環境，使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，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 協議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能，盡可能利用了技術人員、科學家、工程師所熟悉的術語、圖標和概念。因此，LabVIEW 是一個面向最終用戶的工具，提供了實現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統時，可以大大提高工作效率。本標定系統才用了LabVIEW 作為軟件開發平臺。

2.2 壓力控制器的自動控制

PACE5000 壓力控制器采用SCPI 可編程儀器標準命令（Standard Commands for Programmable Instruments），SCPI 于1990 與IEEE 488.2 協議一起面世。這套標準定義了可用于控制一切儀器的語法、命令結構以及數據格式。比如，通用的命令，如配置儀器參數的命令CONFigure，測量命令MEASure 等。這些命令可用于任一儀器，并且同一類的命令屬于同一子系統里。雖然它最開始是和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、USB 接口、VXIbus 等若干硬件總線。SCPI 相似的命令可以被歸類成一種層狀或樹狀結構。例如，任何讀取PACE5000 輸入狀態的命令均可以INP 開，特定的子命令以冒號同上級命令分隔開。例如，讀取PACE5000 開關輸入狀態的命令形式為INP:LOG:STAT。

VISA 是虛擬儀器軟件體系結構的縮寫（即Virtual Instruments Software Architecture），實質上是一個I/O 口軟件庫及其規范的總稱。VISA 是應用于儀器編程的標準I/0應用程序接口，是工業界通用的儀器驅動器標準API（應用程序接口），采用面向對象編程，具有很好的兼容性、擴展性和獨立性。用戶可用一個API 控制包括VXI、GPIB及串口儀器在內的不同種類的儀器。它還支持多平臺工作、多接口控制，是一個多類型的函數庫。在LabVIEW 中編寫的VISA 接口程序，當外部設備變更時，只需要更換幾個程序模塊即可使用，簡單方便而且開發效率高。

PACE5000 壓力控制器的控制程序由SCPI 語言結合VISA 在LabVIEW 環境下編寫，首先進行串口通訊初始化，需要設定波特率、數據位、停止位和校驗位等，如圖2 所示。然后把SCPI 命令“SOUR”送給壓力控制器，進行壓力的控制，如圖3 所示。再把SCPI 命令“：SENS?” 送給壓力控制器，進行壓力的讀取，如圖4 所示。

2.3 數字萬用表的數據讀取

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

圖3 設定壓力值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，可提供兩種常用測試儀器的測量功能，即高分辨率的數字萬用表以及數字化儀。作為一款數字萬用表，PXI-4071 可快速準確地進行±10nV ～1000V 范圍內的電壓測量、±1pA ～3A 范圍內的電流測量、10 μΩ ～5GΩ的電阻測量，以及頻率/周期和二極管測量。在高電壓隔離數字化儀模式下，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 工具包可實現PXI-4071 的初始化，如圖5 所示，以及PXI-4071 的數據讀取，如圖6 所示。

2.4 精度和重復性的計算

在LABVIEW 軟件中，為了程序的簡潔性和調試方便性，創建了精度和重復性計算的子VI 程序，如圖7 所示。其輸入為電流壓力轉換系數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 和重復性ζR。

2.5 標定程序設計

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

系統的標定過程為自動模式，首先設置待標定壓力計的量程，根據壓力計量程和壓力計輸出電流的關系設置標定系數；然后設置壓力的步值，在標定的正行程中，起始標定點的壓力值為量程的下限值，每個標定點壓力值為上一點的壓力值加上壓力步值，正行程的終止點為量程的上限值，在標定的逆行程中，起始標定點的壓力值為量程的上限值，每個標定點壓力值為上一點的壓力值減去壓力步值，逆行程的終止點為量程的下限值；最后設置壓力穩定時間（延時時間）以及標定循環次數，點擊開始按鈕，待熔鹽的溫度達到設定值后，程序按照設定的標定點自動進行標定，并將原始數據和處理后的數據保存到表格中，完成所有的標定點數以及循環次數后自動計算出壓力計的重復性和精度等指標。程序流程如圖8 所示。

圖6 PXI-4071數據讀取Fig.6 PXI-4071 Data reading

3 系統工藝流程

圖8 標定系統程序流程圖Fig.8 Calibration system program flow chart

圖9 熔鹽壓力計在650℃時的測試曲線Fig.9 Test curve of molten salt pressure gauge at 650℃

系統的工藝流程分3 個階段：首先是準備階段，在測試工裝中放置塊狀固態熔鹽，將測試工裝與熔鹽壓力計通過螺栓固定連接，把K 型熱電偶放置在工裝的測溫孔中，然后把測試工裝與熔鹽壓力計的高溫隔膜部分放置在高溫爐里，熔鹽壓力計的變送器部分放在高溫爐外的室溫環境中，將所有氣路管道連接好；然后是測試階段，打開球閥1 和球閥2，對氣路管道進行抽真空，在真空度達到-101KPa左右時關閉球閥1 并啟動高溫爐進行加熱，開啟LabVIEW程序進行壓力計的標定測試；標定測試完成后關閉高溫爐，流程結束。

4 標定實例

待標定的壓力計為上海應用物理研究所研制的填充NaK 遠傳隔膜式熔鹽壓力計，其量程范圍為0KPa ～500KPa，精度等級為0.5 級，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，熔點為383℃。

標定溫度為650℃，標定量程為0KPa ～300KPa，壓力標定步值為50KPa，正行程由0KPa 開始，以50KPa 步值升至300KPa；逆行程由300KPa 開始，以50KPa 步值降至0KPa，總共循環3 次，結束后LabVIEW 程序自動計算出壓力計的重復性和精度。測試曲線如圖9 所示，經計算，熔鹽壓力計在650℃時的重復性為0.13%，精度為0.35%，符合其性能要求。

5 結束語

本文開發了一套能在高溫熔鹽環境下對壓力計進行標定的系統，通過壓力控制器和LabVIEW 機箱的串口通訊以及編程，實現了自動化標定的目標，最終完成了對熔鹽壓力計在650℃氯化鹽環境下的標定測試。測試結果表明，熔鹽壓力計的重復性和精度均滿足其性能要求，從而證明了該標定系統的可靠性。