基于飛行保障氣體質(zhì)量的測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡宗順1黃之杰1辛思勇2

（1.空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系徐州221000）（2.工程兵學(xué)院研一隊(duì)徐州221000）

以飛行保障的氣體質(zhì)量要求為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)全面分析影響飛行保障氣體質(zhì)量的因素，建立飛行保障氣體質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系。然后，設(shè)計(jì)了一種用于氣體壓力、流量測(cè)定的單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由壓力傳感器、流量傳感器、模擬信號(hào)放大器、單片機(jī)及其擴(kuò)展電路和微型空壓機(jī)組成。與相關(guān)機(jī)械裝置相配合，可完成飛行氣體物性參數(shù)綜合快速檢測(cè)，且測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性較好。

航空氣體；測(cè)控系統(tǒng)；物性參數(shù)

Class NumberTP212.6

1 引言

建立飛行保障質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系是一項(xiàng)比較困難的工作。一般來(lái)說(shuō)，評(píng)估指標(biāo)的范圍越寬，數(shù)量越多，確立評(píng)估指標(biāo)的重要順序就越難，處理和建模過(guò)程就越復(fù)雜，歪曲系統(tǒng)本質(zhì)特性的可能性就越大。因此，建立飛行保障質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系必須遵循一定的原則，按一定的程序，在全面分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擬定指標(biāo)草案，經(jīng)廣泛征求專家意見(jiàn)，反復(fù)交流信息，統(tǒng)計(jì)處理、綜合歸納和權(quán)衡，最后得到科學(xué)的評(píng)估指標(biāo)體系。

在確定研究的對(duì)象后，按照科學(xué)性、獨(dú)立性、可行性、全面性等原則著手制定合理的評(píng)估指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系應(yīng)既能反映所要評(píng)估的飛行保障質(zhì)量監(jiān)測(cè)的客觀實(shí)際，又是在簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上的一般抽象結(jié)果，建立的指標(biāo)體系見(jiàn)表1。

2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以氧、氮指標(biāo)為例，某型裝備氧氣所需壓力為10MPa，流量為280～300ml/min；氮?dú)馑鑹毫?3MPa，流量為280～310ml/min。

2.1 質(zhì)量流量傳感器

在以往的氣體流量測(cè)量中，一般采用傳統(tǒng)的體積（容積）流量測(cè)量與密度測(cè)試相結(jié)合的方式，通過(guò)繁瑣的計(jì)算而間接求得質(zhì)量。由于體積與密度的測(cè)試受許多因素的影響（如溫度、壓力、粘度、導(dǎo)電性、流態(tài)、直管段等）而產(chǎn)生明顯誤差［1］。

表1 飛行保障產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系

它主要由兩部分即主管路和旁管路測(cè)量傳感器系統(tǒng)組成。這樣設(shè)置是為了擴(kuò)大量程，在較寬的流量、壓力和溫度變化范圍內(nèi)保持兩個(gè)管路的流量系數(shù)比值恒定，可以維持小孔板和大孔板的流量比率不變，通過(guò)主管道的流量可由儀表的指示值乘以一個(gè)常數(shù)獲得，質(zhì)量流量計(jì)的輸出是流過(guò)大孔板的質(zhì)量流量的線性函數(shù)［2］。

旁管路質(zhì)量流量傳感器原理是基于氣體的對(duì)流傳熱特性。當(dāng)加熱器線圈均勻地加熱氣流時(shí)，在上游和下游的敏感線圈之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)溫度差，這個(gè)溫度差值正比于被測(cè)介質(zhì)的質(zhì)量流量，溫度差信號(hào)的輸出是依靠一個(gè)電橋輸出一個(gè)電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)被加到微分放大器的輸入端，而放大器在其輸出端產(chǎn)生一個(gè)與介質(zhì)質(zhì)量流量成正比的直流電壓信號(hào)。

2.2 壓力傳感器

電容式傳感器的轉(zhuǎn)換原理可用一個(gè)平行平板電容來(lái)說(shuō)明，若忽略邊緣效應(yīng)，平行平板電容的電容值可表示為

ε為板極間介質(zhì)的介電常數(shù)，s為兩極板的覆蓋面積，d為極板間距。

電容式壓力傳感器通常由由一個(gè)固定極板和一個(gè)可動(dòng)極板（同時(shí)也是彈性元件）構(gòu)成可變電容，當(dāng)壓力作用于可動(dòng)極板時(shí)?？蓜?dòng)極板產(chǎn)生變形，電容兩極板的間距發(fā)生變化，電容量發(fā)生改變，檢測(cè)電容的變化量即可得到被測(cè)壓力的大小。

電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、抗過(guò)載能力大、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著一些問(wèn)題：如輸出特性的非線性、寄生電容和分布電容對(duì)敏感度和測(cè)量精度的影響，以及與傳感器聯(lián)接的電路比較復(fù)雜等限制了其使用的廣泛性［3～4］。

3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作過(guò)程如下：按下相應(yīng)測(cè)試功能鍵后，在80C196KC單片機(jī)的控制下，發(fā)出控制信號(hào)，通過(guò)繼電器驅(qū)動(dòng)電路控制供氣單元工作，并且分別啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器的各通道對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣結(jié)果暫存于緩沖區(qū)中。待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，調(diào)用壓力、流量計(jì)算子程序求得被測(cè)參數(shù)值，所測(cè)參數(shù)通過(guò)LED顯示和微型打印機(jī)打印輸出，同時(shí)，在單片機(jī)控制下各機(jī)構(gòu)復(fù)位，一次測(cè)試過(guò)程完成［5～7］。

單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)由80C196KC單片機(jī)、模擬信號(hào)處理電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、微型打印機(jī)接口電路和系統(tǒng)電源等部分組成，各部分之間的邏輯關(guān)系如圖2所示。系統(tǒng)電源用于向各硬件電路提供所需的直流穩(wěn)壓電源；模擬電路負(fù)責(zé)對(duì)傳感器輸出微弱電信號(hào)的放大、濾波等處理，以達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器的要求［8］；單片機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與處理，并通過(guò)打印機(jī)接口控制打印輸出，以及通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制繼電器工作，實(shí)現(xiàn)微型氣泵、電機(jī)的起停和換向閥的換向。

3.2 信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

將輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓的簡(jiǎn)便方法，是用一個(gè)運(yùn)算放大器作為電流—電壓轉(zhuǎn)換器。

運(yùn)算放大器如圖3所示，由圖可見(jiàn)，運(yùn)算放大器由三個(gè)運(yùn)放構(gòu)成，并分為二級(jí)：第一級(jí)是兩個(gè)相同放大器A1、A2，因此輸入阻抗高；第二級(jí)是普通的差動(dòng)放大器，把雙端輸入變?yōu)閷?duì)地的單端輸出［9］。

則放大器增益

輸出電壓為

為了提高共模抑制比和降低溫漂影響，放大器采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即

通過(guò)調(diào)節(jié)外接電阻RG大小能很方便改變運(yùn)算放大器的增益［10］。

3.3 濾波電路的設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中，基波為兩百赫茲的矩形波，對(duì)其進(jìn)行頻譜分析后發(fā)現(xiàn)其在1K以上也有能量分布［11］。為消除信號(hào)中的高頻噪聲，采用有源二階低通濾波器。為了保證能量的完整性，特選取10K為其截止頻率，放大倍數(shù)KF=2，ξ取值為。電路及其中各元件取值如圖4所示。

3.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換電路采用TI公司生產(chǎn)的TLC2543C作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，12位采樣精度，最高采樣頻率為10K，TLC2543C為開(kāi)關(guān)電容逐次模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它有11個(gè)模擬輸入通道，采樣—保持是自動(dòng)的。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，“結(jié)束轉(zhuǎn)換（EOC）”輸出端變高以指示轉(zhuǎn)換的完成。將此引腳與DSP的外部中斷引腳相連，ADC轉(zhuǎn)換完成以后及時(shí)通知DSP讀取數(shù)據(jù)。該器件中的轉(zhuǎn)換器結(jié)合外部輸入的差分高阻抗的基準(zhǔn)電壓，具有簡(jiǎn)化比率轉(zhuǎn)換，刻度以及模擬電路與邏輯電路和噪聲源隔離的特點(diǎn)。開(kāi)關(guān)電容的設(shè)計(jì)可以使在整個(gè)溫度范圍內(nèi)有較小的轉(zhuǎn)換誤差［12］。

根據(jù)信號(hào)處理的原理首先通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換通道1對(duì)氣體壓力、流量信號(hào)變化采集一系列數(shù)據(jù)，經(jīng)CPU數(shù)據(jù)處理后通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換子程序輸出一個(gè)比類正弦曲線谷值略小的電壓，輸入放大電路與原信號(hào)作差，CPU再次啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換通道2，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，得到壓力、流量曲線變化的實(shí)際值，其程序流程圖如圖5所示。

4 測(cè)控系統(tǒng)模擬測(cè)試結(jié)果及分析

在實(shí)驗(yàn)基地，利用構(gòu)建的系統(tǒng)對(duì)不同室溫下的氧氣和氮?dú)鈪?shù)進(jìn)行了測(cè)試，并與理論值比較如下。

表2 飛行氧氣、氮?dú)鉁y(cè)試結(jié)果分析

從表2中的測(cè)試結(jié)果可看出，利用該測(cè)控系統(tǒng)測(cè)得的結(jié)果與文獻(xiàn)［6］中理論參考值接近程度很好。為了評(píng)價(jià)測(cè)控系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果重復(fù)性的好壞，引人數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的變異系數(shù)來(lái)表征，利用Matlab對(duì)表2中各測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算并列人其中。從表2中可看出，壓力測(cè)試結(jié)果的變異系數(shù)分別為3.12%和2.23%；流量測(cè)試結(jié)果的變異系數(shù)分別為1.24%和2.49%；其值都小于誤差值，這說(shuō)明測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性較好，因此，構(gòu)建單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)能夠滿足實(shí)驗(yàn)室和一般工業(yè)的測(cè)量要求。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于飛行保障來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品質(zhì)量是確保安全的關(guān)鍵，這就要求數(shù)據(jù)采集的精確性和可靠性。本文根據(jù)微弱信號(hào)檢測(cè)理論設(shè)計(jì)了氣體壓力及流速的數(shù)據(jù)采集模塊，該模塊由傳感器、控制放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)及外設(shè)等部分組成，能有效提高信號(hào)的準(zhǔn)確性，從而大大保證了氣體檢測(cè)的精度。實(shí)例分析表明，該模型安全可靠，為飛行保障產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供了一種新的手段，對(duì)保證飛行保障質(zhì)量，提高連續(xù)作戰(zhàn)能力具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

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Design of Measurement and Control System Based on Aerial Support of Gas Mass

HU Zongshun1HUANG Zhijie1XIN Siyong2
（1.Department of Aviation Four Stations，Air Force Logistics College，Xuzhou221000）（2.No.1 Graduate Brigade，Academy of Engineer Corps，Xuzhou221000）

Aiming at the requirement of aerial support of gas mass，the assessment index system of aerial support of gas mass is constructed based on analyzing the influential factors of aerial support of gas mass.Then a SCM system of measurement and control is designed implying to gas pressure and flow，combined with pressure transducer，flow transducer，analog signal amplifier，SCM，extended circuit and miniature air compressor.By coordinating of the mechanical device，it can detect the physical parameter of aerial gas，which is accurate and repeatable.

aerial gas，measurement and control system，physical parameter

分類號(hào)TP212.6DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.031

2017年1月3日，

2017年2月23日

胡宗順，男，碩士研究生，研究方向：航空四站保障技術(shù)與信息化。黃之杰，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：航空四站保障技術(shù)與信息化。