一種核電站爆破閥起爆組件的性能測試系統研制

摘要：爆破閥是核電機組特有的設備之一，具有低壓降、零泄漏等特點，使電廠在正常運行期間保證閥門無泄漏，且能在發生事故時接收開啟信號，可靠的打開閥門，實現電廠要求的自動泄壓、低壓安注和安全殼再循環等功能。爆破閥起爆組件性能測試系統，是為爆破閥起爆組件產品進行智能化試驗測試所研制的測試設備，對爆破時藥筒內的壓力信號進行數據采集并分析，存儲相關數據和分析結果，幫助組件設計人員提高產品質量，保證組件在現場應用環境下可靠穩定運行。

關鍵詞：核電站? 爆破閥起爆組件? 數據采集? 性能試驗

1 引言

優質的產品質量離不開性能可靠的測試測量儀器。對爆破閥起爆組件測試而言，傳統臺式數字化儀是最常用的測試設備。隨著技術的發展，爆破閥起爆組件需要監測的通道不斷增加，對數據傳輸速率和設備存儲容量也提出了更高的要求。而現有的臺式數字化儀測量通道數目較少，通道擴展成本高，且不能高效的進行數據的實時在線分析及存儲，已然無法滿足多通道爆破閥起爆組件的測試需求。本文描述的爆破閥起爆組件性能測試系統具備32通道的模擬信號采集、存儲、分析處理和實時顯示等能力。測試系統還能實時存儲所有的原始數據和處理結果并對歷史數據進行回放，從而對測試場景進行復現。這能夠幫助產品研發測試工程師更有效的定位問題并解決問題。

2 測試裝置架構及工作原理

爆破閥起爆組件測試系統架構如圖1所示。整套測試系統包括壓力傳感器、PXI數據采集服務器、點火裝置、顯示器和上位機信號測試測量分析軟件。點火裝置產生3.7A的電流觸發信號，位于藥筒中的爆破閥在接收到觸發信號后起爆，分布在藥筒上的壓力傳感器產生電壓電流信號，經過信號調理板后轉換成便于數據采集平臺采集的電壓信號。數據采集平臺以250KS/s的采樣率進行AD采樣并對相關數據進行實時顯示、分析處理及存儲等操作。

3 裝置設計分析

3.1結構設計

3.1.1 數據采集平臺介紹

數據采集平臺選用業界主流的PXI硬件架構，成熟的模塊化數據采集板卡，性能穩定可靠，維護非常方便。數據采集平臺主要有PXIe機箱、PXIe控制器和同步電壓采集卡組成，系統原理如圖2所示。

其中，PXIe控制器負責數據的運算、分析和處理等操作并把數據傳輸到上位機中;PXIe機箱共有9個插槽，為控制器和數據采集板卡供電，同時提供數據傳輸通道和同步信號路由;每張電壓同步采集卡有8路同步采集通道，每個通道都有獨立的ADC，采樣率最高250KS/s，4張板卡共計32路通道，板卡之間通過共用同一個背板參考時鐘，實現板卡間的同步采集，同步精度可達us級，可以滿足傳感器的測試需求。如果后續要增加采集通道，擴展也非常方便，直接插入新的板卡即可，軟件中也會預留相應的控制接口。

3.1.2 信號調理模塊設計

傳感器輸出的4～20mA的電流信號在進入采集板卡之前需要先進行必要的信號調理，轉換成適合數據采集板卡采集的形式。信號調理模塊具備以下功能：

1）為信號輸入接口提供必要的過壓和過流保護;

2）每個調理通道具備精密電阻，負責把4～20mA的電流信號轉換為10V以內的電壓信號，便于后端采集板卡直接采集;

3）每個通道均提供傳感器所需的激勵電流;

4）系統內置高精度校準源，結合數據采集系統可完成調理系統的自校準。

通過系統自帶的驅動程序和SPI總線控制接口，可靈活配置各通道的測量類型和參數，實現測量系統的軟件定義，具備傳統測試儀器無法比擬的靈活性。

3.1.3 傳感器選型

根據爆破閥在爆破時藥筒內產生的壓力情況，分別選擇量程均為0～600bar的壓電式壓力傳感器和應變式壓力傳感器。傳感器選型如表1所示。

3.2軟件架構和功能

在硬件平臺的基礎上，基于強大、易用、開源的測控系統開發平臺以自主開發的智能數采架構，實現爆破閥測試系統的軟件功能。圖3為智能數采架構的結構框圖。

由下至上看，數據采集部分由采集模塊驅動、同步功能驅動、數據采集引擎以及數據存儲引擎等幾部分組成。其中，數據采集引擎是數據采集部分的核心，負責根據當前系統及通道的設置信息來調用底層的采集模塊驅動以及系統同步功能驅動，在系統硬件的支持下完成高可靠的數據采集與處理任務，同時支持多智能數采系統之間的同步采集。

數據存儲引擎負責根據當前系統及通道的設置信息（與數據存儲相關的信息）來完成對采集數據的本地存儲，以便后續上位機通過FTP進行數據文件的離線下載。數據存儲引擎目前支持連續分時存儲、定時選擇存儲以及通道觸發存儲等常用存儲機制，可滿足大部分的使用。智能數采架構的通信部分由數據接口、控制接口和調試接口等三部分組成，它們之間協同完成智能數采系統與上位機之間信息和數據的交互。

測試系統軟件基于智能數采架構的基礎上，實現系統自檢、參數配置、數據采集、數據分析與處理、數據顯示、數據流盤與回放、報表生成等功能。具體功能如下：

1）系統自檢功能

測試系統在運行之前，會對設備的系統運行情況進行自檢，主要是對系統的采集模塊進行掃描，并顯示模塊的工作狀態是否正常。

2）參數配置功能

針對不同的測試項目能夠靈活的進行板卡通道的配置，主要是對采集通道的采樣率、采樣點數、輸入范圍及觸發方式等參數進行配置;對傳感器的配置主要是靈敏度和比例因子的配置。

3）數據采集功能

對規定測點的電流電壓信號進行采集，包括壓電式壓力傳感器電荷信號、應變式壓力傳感器電壓信號和點火裝置的脈沖信號。

4）數據分析與處理功能

對試驗數據或曲線進行傅立葉變換、逆傅立葉變換、數字濾波、求和、求平均、最大值、最小值、均方根、三角函數等運算，最大值與最小值可通過光標自動捕捉，并在屏幕顯示其數據。

5）數據顯示功能

對原始電壓信號、電流信號和脈沖信號的實時顯示，包括時域波形顯示和頻域顯示。并實時顯示各傳感器曲線的峰值壓力、壓力下限以及到達壓力下限時間等信息。

6）數據存儲與回放功能

對傳感器采集的所有原始數據進行穩定持續的存儲，并保證數據的完整性和安全性。同時可以對已存儲的數據文件進行歷史數據回放，便于查看并發現潛在的異常數據。

7）報表生成功能

導入事先編輯好的報告模板，文件格式word或excel均可。軟件運行后直接把計算結果按照模板格式自動生成并打印，提高測試效率。

4 性能分析

在爆破閥性能測試系統所有功能模塊運行穩定后，進一步驗證爆破閥性能測試系統在測量精度方面的準確性和一致性。采用業界公認的高精度信號源Fluke 5500分別生成頻率為50Hz的標準正弦波、方波和三角波電流信號，通過20歐姆阻值的取樣電阻，然后輸入到爆破閥性能測試系統中。將測試系統計算結果與理論值進行對比，從而評估測試系統數據測量的準確性。對比試驗涵蓋系統所有測試通道。

通過測量值和理論值的對比分析可以看出，在本測量環境下，基本信號參數計算精度在1‰，電能分析的諧波計算誤差除個別頻點外，均能保證在1%。

5 總結

本文所述的爆破閥起爆組件性能測試系統具備32路的模擬信號采集、顯示、數據處理和數據存儲等功能，能夠滿足目前爆破閥起爆組件產品的測試需求。測試系統還能夠持續記錄原始數據并對分析結果進行回放。

該測試系統的測試測量精度經過具備CNAS計量認證資質的第三方計量機構檢驗認證，被測參數與理論計算值進行了一一對比驗證，確保了測試系統的測試精度。該測試系統作為測試工具用于爆破閥起爆組件產品的性能測試，對產品質量和性能的提升有積極作用。

作者簡介

葛子平，1986年1月，男，籍貫：河南林州，漢族，碩士研究生，職稱：助理工程師，研究方向：自動化儀器儀表。