基于飛行保障氣體質量的測控系統設計

基于飛行保障氣體質量的測控系統設計

胡宗順1黃之杰1辛思勇2

（1.空軍勤務學院航空四站系徐州221000）（2.工程兵學院研一隊徐州221000）

以飛行保障的氣體質量要求為出發點，通過全面分析影響飛行保障氣體質量的因素，建立飛行保障氣體質量監測指標體系。然后，設計了一種用于氣體壓力、流量測定的單片機測控系統，該系統主要由壓力傳感器、流量傳感器、模擬信號放大器、單片機及其擴展電路和微型空壓機組成。與相關機械裝置相配合，可完成飛行氣體物性參數綜合快速檢測，且測試結果的準確性和重復性較好。

航空氣體；測控系統；物性參數

Class NumberTP212.6

1 引言

建立飛行保障質量監測指標體系是一項比較困難的工作。一般來說，評估指標的范圍越寬，數量越多，確立評估指標的重要順序就越難，處理和建模過程就越復雜，歪曲系統本質特性的可能性就越大。因此，建立飛行保障質量監測指標體系必須遵循一定的原則，按一定的程序，在全面分析系統的基礎上擬定指標草案，經廣泛征求專家意見，反復交流信息，統計處理、綜合歸納和權衡，最后得到科學的評估指標體系。

在確定研究的對象后，按照科學性、獨立性、可行性、全面性等原則著手制定合理的評估指標體系。該指標體系應既能反映所要評估的飛行保障質量監測的客觀實際，又是在簡化基礎上的一般抽象結果，建立的指標體系見表1。

2 檢測系統設計

以氧、氮指標為例，某型裝備氧氣所需壓力為10MPa，流量為280～300ml/min；氮氣所需壓力為13MPa，流量為280～310ml/min。

2.1 質量流量傳感器

在以往的氣體流量測量中，一般采用傳統的體積（容積）流量測量與密度測試相結合的方式，通過繁瑣的計算而間接求得質量。由于體積與密度的測試受許多因素的影響（如溫度、壓力、粘度、導電性、流態、直管段等）而產生明顯誤差［1］。

表1 飛行保障產品質量監測指標體系

它主要由兩部分即主管路和旁管路測量傳感器系統組成。這樣設置是為了擴大量程，在較寬的流量、壓力和溫度變化范圍內保持兩個管路的流量系數比值恒定，可以維持小孔板和大孔板的流量比率不變，通過主管道的流量可由儀表的指示值乘以一個常數獲得，質量流量計的輸出是流過大孔板的質量流量的線性函數［2］。

旁管路質量流量傳感器原理是基于氣體的對流傳熱特性。當加熱器線圈均勻地加熱氣流時，在上游和下游的敏感線圈之間會產生一個溫度差，這個溫度差值正比于被測介質的質量流量，溫度差信號的輸出是依靠一個電橋輸出一個電壓信號。該電壓信號被加到微分放大器的輸入端，而放大器在其輸出端產生一個與介質質量流量成正比的直流電壓信號。

2.2 壓力傳感器

電容式傳感器的轉換原理可用一個平行平板電容來說明，若忽略邊緣效應，平行平板電容的電容值可表示為

ε為板極間介質的介電常數，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固定極板和一個可動極板（同時也是彈性元件）構成可變電容，當壓力作用于可動極板時。可動極板產生變形，電容兩極板的間距發生變化，電容量發生改變，檢測電容的變化量即可得到被測壓力的大小。

電容式傳感器具有結構簡單、動態響應特性好、抗過載能力大、適應性強等優點，但也存在著一些問題：如輸出特性的非線性、寄生電容和分布電容對敏感度和測量精度的影響，以及與傳感器聯接的電路比較復雜等限制了其使用的廣泛性［3～4］。

3 數據采集模塊設計

3.1 系統設計

系統工作過程如下：按下相應測試功能鍵后，在80C196KC單片機的控制下，發出控制信號，通過繼電器驅動電路控制供氣單元工作，并且分別啟動A/D轉換器的各通道對模擬信號進行采樣，采樣結果暫存于緩沖區中。待A/D轉換結束后，調用壓力、流量計算子程序求得被測參數值，所測參數通過LED顯示和微型打印機打印輸出，同時，在單片機控制下各機構復位，一次測試過程完成［5～7］。

單片機測控系統由80C196KC單片機、模擬信號處理電路、繼電器驅動電路、微型打印機接口電路和系統電源等部分組成，各部分之間的邏輯關系如圖2所示。系統電源用于向各硬件電路提供所需的直流穩壓電源；模擬電路負責對傳感器輸出微弱電信號的放大、濾波等處理，以達到A/D轉換器的要求［8］；單片機系統負責數據采集與處理，并通過打印機接口控制打印輸出，以及通過驅動電路控制繼電器工作，實現微型氣泵、電機的起停和換向閥的換向。

3.2 信號轉換模塊設計

將輸出電流信號轉化為電壓的簡便方法，是用一個運算放大器作為電流—電壓轉換器。

運算放大器如圖3所示，由圖可見，運算放大器由三個運放構成，并分為二級：第一級是兩個相同放大器A1、A2，因此輸入阻抗高；第二級是普通的差動放大器，把雙端輸入變為對地的單端輸出［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，放大器采用對稱結構，即

通過調節外接電阻RG大小能很方便改變運算放大器的增益［10］。

3.3 濾波電路的設計

在系統中，基波為兩百赫茲的矩形波，對其進行頻譜分析后發現其在1K以上也有能量分布［11］。為消除信號中的高頻噪聲，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轉換模塊設計

A/D轉換電路采用TI公司生產的TLC2543C作為模數轉換芯片，12位采樣精度，最高采樣頻率為10K，TLC2543C為開關電容逐次模數轉換器，它有11個模擬輸入通道，采樣—保持是自動的。在轉換結束時，“結束轉換（EOC）”輸出端變高以指示轉換的完成。將此引腳與DSP的外部中斷引腳相連，ADC轉換完成以后及時通知DSP讀取數據。該器件中的轉換器結合外部輸入的差分高阻抗的基準電壓，具有簡化比率轉換，刻度以及模擬電路與邏輯電路和噪聲源隔離的特點。開關電容的設計可以使在整個溫度范圍內有較小的轉換誤差［12］。

根據信號處理的原理首先通過A/D轉換通道1對氣體壓力、流量信號變化采集一系列數據，經CPU數據處理后通過D/A轉換子程序輸出一個比類正弦曲線谷值略小的電壓，輸入放大電路與原信號作差，CPU再次啟動A/D轉換通道2，繼續采集數據，得到壓力、流量曲線變化的實際值，其程序流程圖如圖5所示。

4 測控系統模擬測試結果及分析

在實驗基地，利用構建的系統對不同室溫下的氧氣和氮氣參數進行了測試，并與理論值比較如下。

表2 飛行氧氣、氮氣測試結果分析

從表2中的測試結果可看出，利用該測控系統測得的結果與文獻［6］中理論參考值接近程度很好。為了評價測控系統測試結果重復性的好壞，引人數理統計中的變異系數來表征，利用Matlab對表2中各測試結果進行計算并列人其中。從表2中可看出，壓力測試結果的變異系數分別為3.12%和2.23%；流量測試結果的變異系數分別為1.24%和2.49%；其值都小于誤差值，這說明測試結果的重復性較好，因此，構建單片機測控系統能夠滿足實驗室和一般工業的測量要求。

5 結語

對于飛行保障來說，產品質量是確保安全的關鍵，這就要求數據采集的精確性和可靠性。本文根據微弱信號檢測理論設計了氣體壓力及流速的數據采集模塊，該模塊由傳感器、控制放大器、A/D轉換器、單片機及外設等部分組成，能有效提高信號的準確性，從而大大保證了氣體檢測的精度。實例分析表明，該模型安全可靠，為飛行保障產品質量監測提供了一種新的手段，對保證飛行保障質量，提高連續作戰能力具有重要現實意義。

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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：航空四站保障技術與信息化。黃之杰，男，副教授，碩士生導師，研究方向：航空四站保障技術與信息化。