基于微壓差測量技術的滅火劑濃度機載測試系統設計

楊曉斌，何曉文

(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

0 引言

無論在空中抑或是地面，飛機的直接威脅因素都是火。在飛機運行、維護等過程中，失火事故的發生頻率最大，甚至大多數飛機在出現失火事故時均會產生爆炸的情況。根據相關統計，國外某飛行機構的飛機墜毀事故發生后，有五分之一的人數死亡原因是墜機導致的起火，部分飛機碰撞后，原本可生存的人也有近一半因為起火而死亡，所以飛機防火問題的研究具有十分重大的意義。在飛機的研制過程中，放在第一位考慮的問題必須是其安全性能。

飛機的動力設備是其飛行的動力來源，為實現飛機的安全飛行，需要保證其動力設備的安全性。起火是飛機安全亟待解決的問題，為解決這一危險因素，需要在飛機的發動機艙內部署滅火系統。依據飛機的飛行條件，要求滅火系統射出滅火劑時的體積濃度最低不能低于6%，且需要維持最短0.5 s的時間。通過測量艙內的滅火劑體積濃度分布情況，可有效驗證出該滅火系統設計得是否符合實際應用要求。當前國內相關滅火劑濃度測試方面的裝置大多來源于國外，相關研究情況受此限制發展較為弱勢，若不在測試進行之前檢驗系統，很容易令系統設計出現問題，以至于在后期還需返回至設計階段重新展開設計，導致項目研究進程受到限制。綜上所述，設計飛機發動機艙的滅火劑濃度測試系統勢在必得。

為此，文獻[5]結合機器視覺設計一款風力滅火機性能檢測系統，其通過機器視覺直接實現滅火劑濃度的檢測，檢測過程過于粗略，不夠精確，所得數據支撐力較差；文獻[6]設計超細水霧滅火性能檢測系統，通過cup burner實現滅火劑性能的檢測，但是迄今針對該種類型滅火劑，可使用范圍較小，適用性較差；文獻[7]設計典型機艙1 301滅火性能檢測系統，通過仿真機載滅火系統的管網流速計算出滅火劑的體積濃度分布情況，但是其無法滿足飛機飛行試驗條件。

本文設計基于微壓差測量技術的滅火劑濃度機載測試系統，通過微壓差測量裝置的壓差傳感器感應氣體壓降測量出滅火劑的體積濃度分布情況，測量數據有效、精準。

1 滅火劑濃度機載測試系統

1.1 基于微壓差測量技術的濃度測量理論

基于微壓差測量技術的濃度測量理論結合了泊肅葉定律和臨界流狀態，濃度測量流程見圖1。

圖1 微壓差濃度測量圖

以微壓差測量裝置內部的真空泵為動力源抽取氣體，氣體通過測量裝置的壓降結構時，其兩端連接的壓差傳感器會感應到氣體壓降，差異氣體在該位置所形成的壓降也存在差異，根據壓降結構兩端信號可得出氣體的成分，測量出其濃度情況。

壓降結構可完成所經氣體的整流，令氣流波動減少，氣體經過壓降結構時其運動形態為層流流動且氣體無法壓縮，此時氣體的體積流量與壓降結構的長度、半徑以及粘性系數相關，則壓降結構兩端壓差

P

可表示為：

(1)

其中:

C

、π、

μ

、

Q

分別表示粘度修正系數、圓周率、氣體粘度系數、氣體體積流量。

壓降結構輸出的氣體經過限流結構控制后流出壓差傳感器，按照能量守恒定律，經過壓降結構與限流結構的氣體質量流量相等，氣體體積流率=氣體質量流量/氣體密度。

限流結構中的氣體存在一定的收縮擴張，此時會引發阻塞，在限流結構末端的壓力小于設定閾值的情況下，氣體質量流量不受結構末端壓力影響，氣體質量流量滿足下列公式：

(2)

其中:

A

、

C

、

A

、

P

以及

A

分別流量結構的喉口面積、流量修正系數、壓差修正系數、限流結構首端的滯止壓強以及氣體滯止密度。

得到壓差結構的體積流量公式為：

(3)

其中:

R

、

T

分別表示氣體常數與氣體滯止溫度。

設定傳感器的幾何尺寸保持不變，此時氣體的壓差修正系數僅受氣體濃度與溫度性質的影響，氣體經過傳感器時形成的壓差可通過濃度與溫度函數描述，在溫度不變的情況下，可通過壓差和濃度之間的關聯性計算出氣體濃度，該公式表示為：

P

=

f

(

x

)?

x

=

F

(

P

)

(4)

其中:

x

表示濃度。

1.2 滅火劑濃度機載測試系統的總體結構

基于微壓差測量技術的滅火劑濃度機載測試系統主要包括過濾器、微壓差濃度傳感模塊、流量恒定設備、穩壓緩沖罐、氣體分析儀以及真空泵，總體結構如圖2所示。

圖2 系統總體結構

系統通過真空泵采集滅火劑與空氣的復合氣體，利用過濾器對其展開過濾后傳輸至微壓差濃度傳感模塊，經該模塊的氣體加熱器加熱該氣體，溫度控制器控制所加熱的氣體溫度，然后通過節流設備使其形成壓差，利用壓差傳感器變更該壓差信號為電信號，再應用信號處理器展開信號處理，計算出滅火劑濃度并得出與其濃度值呈正相關關系的電信號，流量恒定設備依據信號處理器輸出的電信號，高精度控制滅火劑與空氣的復合氣體流量，完成該氣體流量的合并后將其輸入穩壓緩沖罐進行緩沖，通過氣體分析儀測量滅火劑與空氣復合氣體差異濃度和壓差的關聯，輸出滅火劑濃度數字信號，并利用排氣口將測試完畢的滅火劑空氣復合氣體排入真空泵，通過真空泵將測試完畢的滅火劑空氣復合氣體排放至空氣內。

1.3 滅火劑濃度機載測試系統的核心裝置

為保證滅火劑濃度機載測試系統的測試精準度，需要應用適宜的核心裝置，令滅火劑機載濃度測試的結果貼合實際，實現滅火機載系統性能的有效評估。

1.3.1 真空泵

滅火劑機載濃度測試系統的真空泵選用來自美國的單級H類型滑閥式真空泵，其是一個變容模式的氣體傳輸泵，抽速比為4:1，具有較好的耐用性能。主要結構為主泵串聯采集芯片，滑閥泵通常被部署在機架上方，輔助有管道、閥門、冷卻水管等裝置，自動開關與過載保護應用真空繼電器完成，整體結構密切，操作便捷。

因滑閥泵停止工作時會產生返油現象，為避免這一情況的發生，與滑閥泵電動機聯動的是滅火劑進口管道上方部署的電磁充氣閥，它可以在滑閥泵停止工作的情況下，對泵口施加一個充氣的作用，令滑閥泵內的真空油回返至油箱，避免系統被真空油污染。

采集芯片型號為cDAQ-9133，共有10個插槽，融合了1.53 GHZ雙核Intel Atom處理元件，共有20 GB的存儲空間以及3 GB DDR3的內存，應用的是windows系統。

滑閥泵節能效果明顯，真空效果好，具有較大的高真空區間抽氣量，應用領域廣泛，例如真空鍍膜、冶煉、濾油以及航空模擬測試等。

1.3.2 流量恒定設備

流量恒定設備是具有特殊作用的氣體流量控制閥，其原理是通過針狀件將氣體流量恒穩控制在規定值上。針狀件的形狀為圓柱形，于輸入位置側面部署有柱狀通道且與嵌入的軸桿相合，針狀件按照相互對立的形式部署于設備內部孔板，其以彈簧為支撐，以滅火劑空氣復合氣體的壓力為動力展開運動維持其流量穩定，實現異常過流等問題的防范。

2014-2016年，DDDs排序前10位的口服中成藥年度DDDs分別占口服中成藥總DDDs的99.95%、99.94%和99.83%，有9種中成藥的年度DDDs均排序前9位，7種中成藥的DDDs排序無變化。2014-2016年DDDs排序前10位的口服中成藥見表3。

按照流體力學規律可知，通過流體雷諾數可得出其運動情況，在雷諾數低于2 300的情況下，流體的運動情況為層流，此時其在節流設備處形成的壓差與流量的關系為線性關系。

為簡化滅火劑濃度的測試難度，需要在選擇系統裝置時控制滅火劑空氣復合氣體流量的運動狀態為層流，所以需要部署流量恒定設備，穩定維持氣體流速始終小于2 300。

流量恒定設備主要由流量計與控制閥構成，流量計是基于氣體加熱器形成的溫差和氣體流量構建比例關系，計算出滅火劑空氣復合氣體的流量，其具體公式表示為：

q

=

κcpAΔT

(5)

其中:

κ

、

cp

、

A

以及

ΔT

分別表示常數、定壓比熱容、熱傳導系數以及溫度變化值。流量恒定設備按照滅火劑空氣復合氣體的實際流量調節控制閥，令氣體流量維持在設定閾值之內。

系統流量恒定設備應用的動態流量平衡閥是我國發明專利的電子式動態流量平衡閥，其是以機械自力式原理為基礎設計，具有節能降耗、高穩定性、低噪聲等優點。

流量恒定設備調節與滅火劑濃度測試的精準度之間關系密切，其能夠實現滅火劑空氣復合氣體的流量高精度、穩定控制。滅火劑空氣復合氣體經過流量恒定設備時，其壓差與粘度之間具有的關系通過公式可表示為：

(6)

其中:

l

、

V

、

d

以及

μ

分別表示層流流道長度、最大平均流速、層流流道的當量直徑以及滅火劑空氣復合氣體動力粘度。

通過滅火劑空氣復合氣體分子的熱運動獲取氣體粘度，氣體粘度和溫度的關系表示為：

(7)

其中:

T

、

T

、

β

以及

μ

分別表示氣體的絕對溫度、基準絕對溫度、關于氣體類型的常數以及

T

溫度下的氣體動力粘度。

結合公式(6)與公式(7)可得：

(8)

綜上所述，在滅火劑空氣復合氣體溫度與速度保持不變的情況下，氣體壓差與粘度呈正相關關系。

1.3.3 壓差傳感器

壓差傳感器采用美國出口的PX409型高精度壓差傳感器，壓差量程0～10 inHO，輸出信號區間為[4,20]mA，綜合精度高達0.08%，響應時間低于1毫秒，溫度補償區間為[30,85] ℃。

1.3.4 數字信號處理器

數字信號處理器TMS320DM8148型號DSP芯片來自AMD公司，其具有豐富的工業接口，在惡劣的環境下應用時信號維持完整、穩定。

數字信號處理器DSP芯片內部會聚3個串口和SPI接口，其中開關量8路輸入、8路輸出與其串口相連，SPI接口與16位ADC外接。RS232串口電路將整個數字信號處理器連接起來，令數據的上傳更加便捷。

1.4 滅火劑濃度測量流程

基于微壓差測量技術的滅火劑濃度測量過程主要分為標定與測量兩方面，需要先利用濃度已知的標準氣體標定裝置，然后基于標定結果測量濃度未知的滅火劑空氣復合氣體。

標定是針對首次應用或長期未應用的滅火劑濃度測量裝置展開的，其是以確保裝置測量精度為目標，以標準氣體為測量標準，實現實際測量誤差的減小。

標定過程具體描述為：將一些差異濃度的標準氣體輸送至標定設備內，預熱微壓差濃度測量裝置至設定溫度后，運行真空泵。此時因為氣體運動，存在一定的熱量損失，裝置溫度狀態不穩定，存在一定波動，需要等待裝置運行至預熱段和恒溫段的溫度全部進入平衡穩定狀態后，再展開標定。標定是利用采樣管將微壓差濃度測量裝置與標定設備相連，通過測量差異濃度的標準氣體得出濃度已知情況下的氣體壓差數據，獲取校準曲線。

測量是利用標定時所獲校準曲線檢測濃度未知的氣體。先利用標定數據構建濃度校準曲線并校準裝置，采用校準曲線能夠得出與差異壓差相應的濃度值，完成未知濃度的氣體檢測。測量時需要在檢測處安裝裝置的采樣管，然后預熱設備至其進入恒溫狀態，通過檢測濃度未知氣體并利用校準曲線得出檢測處的氣體濃度變化。

2 試驗分析

為驗證本文設計滅火劑濃度機載測試系統的功能和性能，探查該系統的測量精度，實驗以標準氣體為實現對象，在實驗室內對本文系統展開了滅火劑濃度測量。

將本文系統部署在飛機上，以通道為8時為例展開地面與飛行試驗，結果如圖3所示。

圖3 本文系統部署在飛機上的試驗結果

通過圖3可以看出，本文系統在飛行試驗中的滅火劑體積濃度比地面試驗中的滅火劑體積濃度有所降低，并且飛行試驗的維持時長較短，滅火劑體積濃度下降較快，原因是飛行試驗與地面試驗時，飛機艙內的空氣流場存在差異引起的，飛行試驗時飛機艙內的空氣流量大于地面試驗，其滅火劑濃度的分布受到影響。本文系統的測量數據有效且精準程度高，可以從側面驗證出本文系統具有良好的重復與穩定功能性。

對比本文系統與文獻[5](風力滅火機性能檢測系統)、文獻[6](cup burner超細水霧滅火系統)以及文獻[7](典型機艙1 301滅火系統)系統的主要技術指標，結果如表1所示。

表1 不同系統的主要技術指標對比

通過表1可以看出，本文系統的測量范圍最大，最低可測量濃度為0%，最高為100%，測量精度在0≤濃度≤20%時為±0.5%，在20%≤濃度≤100%時為±1%，采樣率最高達到250次/s，應用環境廣泛，可應用在溫度區間為0～350 ℃、入口壓力范圍為50～100 kPa的情況下。

設置滅火劑填充量、填充壓力等條件都相同的情況下，若測試位置的滅火劑體積濃度大于等于6%且保持的時長大于等于0.5 s，則試驗合格。測試溫度分別為10℃、-50℃情況下的滅火劑濃度分布曲線，結果如圖4所示。

圖4 不同溫度下的滅火劑濃度分布曲線

通過圖4可以看出，兩種實驗均為合格試驗，不同溫度下的滅火劑體積濃度分布存在差異。其中，常溫情況下的滅火劑體積濃度比低溫情況下的滅火劑體積濃度高，維持時間比低溫情況下的維持時間長，原因是滅火劑受溫度影響其氣壓存在差異，常溫情況下的氣壓較大、滅火劑噴射的時長較短。對上述結果進行深入研究得到，在空中較低位置快速飛行或者在滅火劑容器溫度低于飛機溫度下限的情況下，滅火系統的噴射效果最差，該條件可當作臨界氣流需要應用于審查滅火系統是否合格。除此之外，滅火劑體積濃度分布情況還受冷氣流、機艙布局、障礙物以及外部環境等條件影響，在試驗過程中需要對其進行綜合考慮。

通過檢測本文系統的響應時間與測量誤差可判斷出系統性能是否滿足實際應用需求，設定響應時間閾值為50 ms，測量誤差閾值為0.5%，本文系統的誤差測量應用的是系統標定方法，其是在差異濃度位置匹配滅火劑標準樣氣，再利用專業標定裝置標定系統的各個通道，最后對比系統采集的滅火劑濃度與標準滅火劑濃度值。對本文系統的響應時間與測量誤差展開測試，結果如表2～3所示。

表2 通道8的響應時間

表3 系統標定結果

通過表2可以看出，系統的后端測量單元壓力跟隨前端壓力的變化而變化，上升段時間差與下降段時間差均低于閾值50 ms，說明本文系統的響應時間滿足實際應用要求。

通過表3可以看出，單滅火劑濃度測量位置的測量最大誤差值為0.39%，12個通道所有濃度測量位置的最大平均誤差值為0.24%、最大均方誤差值為0.14%，均低于閾值0.5%，說明本文系統的測量誤差滿足實際應用要求。測量誤差實驗結可以準確顯示滅火劑在不同條件下濃度分布的變化。 數據連續性好，測試結果更接近實際。 其中，通道位置與滅火劑的距離可通過濃度值的高低準確確定。 通道濃度值低表示通道位于滅火劑難以擴散的位置，通道濃度值高表示通道位于滅火劑容易到達的位置。

測試本文系統的壓差值跟隨滅火劑體積濃度發生的變化，其與理想值的對比結果如圖5所示。

圖5 系統測試結果

分析圖5可知，跟隨滅火劑體積濃度的增長，本文系統測試的壓差值呈緩慢下降趨勢，高度吻合理想值，測試值略低于理想值，可通過修正滅火劑與空氣的復合氣體進行調整。對于滅火劑與空氣的復合氣體而言，通過修正系數調整混合氣粘度方程中的粘度，令其跟隨濃度變化可以提升理論值與實驗值之間的一致性。

設置試驗溫度為25 ℃，測試濕度分別為0%、30%、60%以及90%時，滅火劑與空氣的復合氣體中滅火劑濃度為0%與15%時的系統響應值，試驗結果如圖6所示。

已知系統響應值的運算參照干空氣的壓差值，通過圖6可以看出，圖6(a)中描述了本文系統對空氣濕度為90%時的階躍響應變化，在空氣濕度由0%轉換為90%時，本文系統的響應值下降至負值；圖6(b)中表示了差異濕度下空氣的響應變化情況，響應值跟隨空氣濕度的上升而下降；圖6(c)中呈現了15%濃度的滅火劑與空氣復合氣體響應值跟隨濕度增加發生的變化，其變化情況大致與空氣的變化情況相似，響應值跟隨濕度的上升而下降，由此可得濕度為30%、60%、90%的滅火劑與空氣復合氣體壓差值大于濕度為0%的滅火劑與空氣復合氣體壓差值，響應值同理，綜上所述濕度影響下的參數可提升本文系統形成的壓差，實現系統響應值的下降；圖6(d)中，壓差受濕度的影響因為相減而下降，濕度上升會提升滅火劑與空氣復合氣體通過后的壓差值。

圖6 濕度對本文系統性能的影響

綜上所述，濕度上升會加強滅火劑與空氣復合氣體通過系統后的壓差，但是影響較小，參照相同濕度空氣響應值，能夠令濕度對本文系統的性能影響下降，所以在多數環境較為正常的情況下，濕度對系統性能的影響可忽略不計。

3 結束語

本文設計了一個基于微壓差測量技術的滅火劑濃度機載測試系統，其具有較快的響應速度以及較高的測量精度，能夠令機載滅火系統的模擬試驗條件得到滿足，較好地呈現出艙內所有測量位置的滅火劑濃度跟隨各項指標發生的變化，系統操作便捷，數據可用性較好，可適用范圍廣。試驗結果表明，艙內的環境溫度大小會直接影響滅火劑濃度分布。受艙內環境溫度的影響，滅火劑釋放時其載體容器中的液態汽化，所以艙內環境溫度對滅火劑的應用呈正向作用，較大的艙內環境溫度可有效推動滅火劑汽化與擴散。除此之外，還需要對滅火劑載體容器的壓力、通風流量、管道噴嘴等影響因素進行綜合考慮。通過獲取滅火劑釋放時的溫度，可有效判斷出測量采樣管的部署位置，給予后續同類研究技術支持。當前國內在測量滅火劑濃度方面還沒有專用的裝置，為了令未來國內構建的各種電子機械能夠配置有安全可靠的滅火系統，需要對專用滅火劑濃度記錄儀展開深入研究，設置滅火劑濃度評價準則，展開多次機載防火系統滅火劑濃度試驗。