熔盐堆高温压力计标定系统的研究

陈志军，韩利峰，陈永忠

（中国科学院上海应用物理研究所 反应堆系统工程技术部，上海 201800）

0 引言

熔盐堆使用高温熔盐作为燃料和冷却剂[1]，熔盐堆压力计需要对熔盐回路的压力和压差进行准确地测量、显示和记录，从而监督熔盐堆热工系统各个设备的运行状况，保证堆的安全可靠运行，同时为熔盐堆功率和热工系统的自动控制系统和安全联锁系统提供信号，并为堆上各实验系统提供数据。目前，市面上现有的商业化压力标定装置基本上都是在常温和水油介质下进行的，暂时还没有针对高温（大于600℃）熔盐介质工况下的压力标定装置。因此，急需建立一套高温压力计的标定平台[2]，在高温熔盐环境下对压力计进行标定，以确定压力计的准确度。

图1 标定系统结构图Fig.1 Calibration system structure

本文以填充NaK 远传隔膜式熔盐压力计作为待标定压力计，根据压力计测试标准[3]的要求，建立了一套基于LabVIEW 的高温压力计标定系统，可实现高温压力计在熔盐环境下的自动化测试和标定。

1 系统硬件设计

如图1 所示，标定系统主要由氩气瓶、压力控制器、真空泵、高温炉、测试工装、熔盐压力计、LabVIEW 机箱、数字万用表等组成。

PACE5000 压力控制器是德鲁克公司新一代的模块化、高精度压力控制器和指示仪。 PACE5000 压力控制器和氩气瓶组成标准压力源，其输出压力范围为0MPa ～1MPa，控制精度为0.02%FS，控制稳定性为0.003%FS，其压力控制由LabVIEW 程序实现。LabVIEW 机箱要向压力控制器发送控制命令并采集压力反馈值，就必须采用可靠的连接实现两者的通讯，PACE5000 压力控制器有RS232、IEEE-488 等通讯接口，而对于LabVIEW 开发环境，RS232 串口通讯更加容易实现。因此，压力控制器通过RS232 串口连接LabVIEW 机箱，实现压力的自动控制与压力反馈值的采集和记录。

高温炉用来加热熔盐以及熔盐压力计的高温隔膜部分，其控制部分采用了炉子自带的温度控制器。温度反馈的测量采用K 型热电偶，用来监测熔盐的实时温度，K 型热电偶通过温度采集模块与LabVIEW 机箱连接，经LabVIEW程序实现温度信号的采集和记录。

由于熔盐温度较高，且带有腐蚀性。因此，测试工装采用Inconel718 材料以保证其可靠性。测试工装与熔盐压力计的高温隔膜通过螺栓连接固定，螺栓的材料也为Inconel718，为保证其密封性，测试工装与熔盐压力计的高温隔膜之间放置石墨缠绕金属垫片进行密封。

熔盐压力计为填充NaK 远传隔膜式压力计，其高温隔膜的厚度为0.2mm，直径为80mm，材料为GH3535，高温隔膜与压力变送器之间的毛细管长度为2m，毛细管中填充NaK 合金。其输出为4mA ～20mA 标准二线制电流信号，通过数字万用表与LabVIEW 机箱连接，经LabVIEW 程序实现压力计信号的采集转换和记录。

2 系统软件设计

2.1 LabVIEW软件开发平台

LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它集成了与满足GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念。因此，LabVIEW 是一个面向最终用户的工具，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。本标定系统才用了LabVIEW 作为软件开发平台。

2.2 压力控制器的自动控制

PACE5000 压力控制器采用SCPI 可编程仪器标准命令（Standard Commands for Programmable Instruments），SCPI 于1990 与IEEE 488.2 协议一起面世。这套标准定义了可用于控制一切仪器的语法、命令结构以及数据格式。比如，通用的命令，如配置仪器参数的命令CONFigure，测量命令MEASure 等。这些命令可用于任一仪器，并且同一类的命令属于同一子系统里。虽然它最开始是和IEEE 488.2（即GPIB）面世的，但SCPI 控制命令也可用于串口（RS-232），以太网、USB 接口、VXIbus 等若干硬件总线。SCPI 相似的命令可以被归类成一种层状或树状结构。例如，任何读取PACE5000 输入状态的命令均可以INP 开，特定的子命令以冒号同上级命令分隔开。例如，读取PACE5000 开关输入状态的命令形式为INP:LOG:STAT。

VISA 是虚拟仪器软件体系结构的缩写（即Virtual Instruments Software Architecture），实质上是一个I/O 口软件库及其规范的总称。VISA 是应用于仪器编程的标准I/0应用程序接口，是工业界通用的仪器驱动器标准API（应用程序接口），采用面向对象编程，具有很好的兼容性、扩展性和独立性。用户可用一个API 控制包括VXI、GPIB及串口仪器在内的不同种类的仪器。它还支持多平台工作、多接口控制，是一个多类型的函数库。在LabVIEW 中编写的VISA 接口程序，当外部设备变更时，只需要更换几个程序模块即可使用，简单方便而且开发效率高。

PACE5000 压力控制器的控制程序由SCPI 语言结合VISA 在LabVIEW 环境下编写，首先进行串口通讯初始化，需要设定波特率、数据位、停止位和校验位等，如图2 所示。然后把SCPI 命令“SOUR”送给压力控制器，进行压力的控制，如图3 所示。再把SCPI 命令“：SENS?” 送给压力控制器，进行压力的读取，如图4 所示。

2.3 数字万用表的数据读取

图2 串口通讯初始化Fig.2 Serial communication initialization

图3 设定压力值Fig.3 Set the pressure value

图4 读取压力值Fig.4 Reading the pressure value

PXI-4071 是一款7 位半FlexDMM 高性能、多功能的3U PXI 模块，可提供两种常用测试仪器的测量功能，即高分辨率的数字万用表以及数字化仪。作为一款数字万用表，PXI-4071 可快速准确地进行±10nV ～1000V 范围内的电压测量、±1pA ～3A 范围内的电流测量、10 µΩ ～5GΩ的电阻测量，以及频率/周期和二极管测量。在高电压隔离数字化仪模式下，PXI-4071 能以1.8 MS/s 的采集速率，采集到所有电压和电流模式下的DC 波形。

采用NIDMM 工具包可实现PXI-4071 的初始化，如图5 所示，以及PXI-4071 的数据读取，如图6 所示。

2.4 精度和重复性的计算

在LABVIEW 软件中，为了程序的简洁性和调试方便性，创建了精度和重复性计算的子VI 程序，如图7 所示。其输入为电流压力转换系数k 和b 以及正行程电流值IU 和反行程电流值ID，输出为子样误差s、精度ACCU 和重复性ζR。

2.5 标定程序设计

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

系统的标定过程为自动模式，首先设置待标定压力计的量程，根据压力计量程和压力计输出电流的关系设置标定系数；然后设置压力的步值，在标定的正行程中，起始标定点的压力值为量程的下限值，每个标定点压力值为上一点的压力值加上压力步值，正行程的终止点为量程的上限值，在标定的逆行程中，起始标定点的压力值为量程的上限值，每个标定点压力值为上一点的压力值减去压力步值，逆行程的终止点为量程的下限值；最后设置压力稳定时间（延时时间）以及标定循环次数，点击开始按钮，待熔盐的温度达到设定值后，程序按照设定的标定点自动进行标定，并将原始数据和处理后的数据保存到表格中，完成所有的标定点数以及循环次数后自动计算出压力计的重复性和精度等指标。程序流程如图8 所示。

图6 PXI-4071数据读取Fig.6 PXI-4071 Data reading

3 系统工艺流程

图8 标定系统程序流程图Fig.8 Calibration system program flow chart

图9 熔盐压力计在650℃时的测试曲线Fig.9 Test curve of molten salt pressure gauge at 650℃

系统的工艺流程分3 个阶段：首先是准备阶段，在测试工装中放置块状固态熔盐，将测试工装与熔盐压力计通过螺栓固定连接，把K 型热电偶放置在工装的测温孔中，然后把测试工装与熔盐压力计的高温隔膜部分放置在高温炉里，熔盐压力计的变送器部分放在高温炉外的室温环境中，将所有气路管道连接好；然后是测试阶段，打开球阀1 和球阀2，对气路管道进行抽真空，在真空度达到-101KPa左右时关闭球阀1 并启动高温炉进行加热，开启LabVIEW程序进行压力计的标定测试；标定测试完成后关闭高温炉，流程结束。

4 标定实例

待标定的压力计为上海应用物理研究所研制的填充NaK 远传隔膜式熔盐压力计，其量程范围为0KPa ～500KPa，精度等级为0.5 级，耐温范围为0℃～700℃。使用的熔盐为氯化盐，其配比（mol%）为33.0-21.6-45.4，熔点为383℃。

标定温度为650℃，标定量程为0KPa ～300KPa，压力标定步值为50KPa，正行程由0KPa 开始，以50KPa 步值升至300KPa；逆行程由300KPa 开始，以50KPa 步值降至0KPa，总共循环3 次，结束后LabVIEW 程序自动计算出压力计的重复性和精度。测试曲线如图9 所示，经计算，熔盐压力计在650℃时的重复性为0.13%，精度为0.35%，符合其性能要求。

5 结束语

本文开发了一套能在高温熔盐环境下对压力计进行标定的系统，通过压力控制器和LabVIEW 机箱的串口通讯以及编程，实现了自动化标定的目标，最终完成了对熔盐压力计在650℃氯化盐环境下的标定测试。测试结果表明，熔盐压力计的重复性和精度均满足其性能要求，从而证明了该标定系统的可靠性。