徐正紅， 杜 珍

（1.安徽省長江計量所，安徽 合 肥 230088；2.安徽省東風機電科技股份有限公司，安徽 合 肥 230022）

分子篩機載制氧技術(shù)是飛機氧氣系統(tǒng)發(fā)展的最新應用技術(shù)，它使飛機無須攜帶氧氣，在空中自主產(chǎn)氧，徹底改變了飛機續(xù)航時間受機載氧源限制的局面［1－2］。

該技術(shù)的核心是氧氣濃縮器，其工作原理是基于變壓吸附的原理，利用沸石分子篩對于氮氣的優(yōu)先吸附，實現(xiàn)氧氮分離，產(chǎn)生富氧氣體［2］。其性能受許多工作參數(shù)和條件影響，為此，需設(shè)計可模擬飛行工作參數(shù)的性能測試系統(tǒng)來測試氧氣濃縮器性能。

影響氧氣濃縮器性能的主要參數(shù)包括氣源入口參數(shù)、試驗高度和輸出參數(shù)［3］。氧氣濃縮器性能測試系統(tǒng)應具有如下基本功能：模擬供氣壓力、溫度、濕度、流量；模擬飛行高度的大氣壓力和溫度；模擬座艙高度以及產(chǎn)品性能參數(shù)的檢測等［4－6］。

1 性能測試系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)原理

性能測試系統(tǒng)由氣源系統(tǒng)、高低溫低氣壓試驗箱、真空系統(tǒng)組成［7－8］，如圖1所示。

氣源系統(tǒng)提供試驗參數(shù)可調(diào)節(jié)的潔凈氣源，由空壓機、儲氣罐、冷卻式干燥機、過濾器、吸附式干燥機、制冷機組、加熱器、調(diào)壓閥等組成?？諌簷C產(chǎn)生高壓氣體后輸入儲氣罐中為系統(tǒng)供氣，冷卻式干燥機、過濾器、吸附式干燥機除濕、除油；供氣溫度通過三通調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流經(jīng)制冷機組和加熱器的氣體分配比例進行調(diào)節(jié)。

高低溫低氣壓試驗箱模擬氧氣濃縮器工作環(huán)境，即飛行高度大氣壓力和溫度。

真空系統(tǒng)模擬座艙高度和氧濃縮器的脫附壓力，由真空機組、真空罐、模擬座艙、氣動薄膜調(diào)節(jié)閥等組成。真空機組抽真空罐內(nèi)的氣體，使罐內(nèi)壓力為氧濃縮器的排氣壓力，即飛行高度的環(huán)境壓力。模擬座艙與真空罐相通，座艙高度的控制通過控制模擬座艙向真空罐的排氣來實現(xiàn)。

測控系統(tǒng)由傳感器、回路控制器、調(diào)節(jié)閥門、計算機等組成，可實現(xiàn)各種參數(shù)測量與控制。為提高系統(tǒng)可靠性，系統(tǒng)主要參數(shù)控制由單回路控制器實現(xiàn)。

1.2 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)控制和數(shù)據(jù)處理3個部分，由工控機、測控儀表、傳感器、模擬量輸入輸出模塊、數(shù)字輸入輸出模塊及調(diào)節(jié)閥等組成［9－10］。

（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。供氣壓力、流量、溫濕度分別由壓力傳感器、質(zhì)量流量計、溫濕度變送器測量；試驗高度大氣壓力、溫度由高低溫低氣壓試驗箱提供；脫附壓力由真空計測量轉(zhuǎn)換成高度；座艙壓力由壓力控制器測量。信號傳送到工控機，同時輸出送到儀表顯示。

采用2個數(shù)字量輸入／輸出模塊的數(shù)字量輸入功能來采集數(shù)字量信號。

（2）控制系統(tǒng)。供氣溫度由三通調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，當供氣溫度高于氣源溫度時，三通調(diào)節(jié)閥的熱路全開，供氣氣流全部流過加熱器，加熱功率采用PID調(diào)節(jié)器控制；當供氣溫度低于氣源溫度時，加熱電路斷開，制冷機運行。

供氣壓力采用壓力控制器對閥后壓力進行PI控制方式調(diào)節(jié)；脫附壓力用氣動薄膜調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)；模擬座艙壓力由壓力控制器通過閥前壓力控制。

高低溫低氣壓試驗箱內(nèi)溫度、壓力由高低溫低氣壓試驗箱自行調(diào)節(jié)。

輸出產(chǎn)品氣流量通過手動針閥調(diào)節(jié)。

利用數(shù)字量輸入／輸出模塊的數(shù)字量輸出功能完成數(shù)字量信號的輸出，實現(xiàn)空壓機、真空泵、制冷機、加熱器、吸附式干燥器開關(guān)控制。

2 性能測試系統(tǒng)校準

對于性能測試系統(tǒng)而言，只有測試參數(shù)準確，其測試結(jié)果對產(chǎn)品質(zhì)量控制才有意義。因此，研究性能測試系統(tǒng)綜合在線校準技術(shù)同樣重要。校準裝置分成氣源系統(tǒng)校準模塊、高低溫低氣壓試驗艙校準模塊、真空系統(tǒng)校準模塊，如圖2所示。

圖2 氧氣濃縮器性能測試系統(tǒng)校準裝置原理框圖

2.1 氣源系統(tǒng)校準模塊

選擇高精度氣體流量、溫度、濕度、壓力傳感器，由傳感器將各參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號，接入數(shù)據(jù)采集模塊，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入計算機。

溫濕度測量采用奧地利E＋E公司EE99溫濕度變送器，壓力傳感器采用美國GE公司PDCR5000壓力傳感器，流量測試采用美國Alicat M氣體質(zhì)量流量計。

電測單元采用KEITHLEY2700數(shù)據(jù)采集單元，數(shù)據(jù)采集單元通過擴展卡與傳感器相連，傳感器輸出信號由數(shù)字多用表測出后通過RS232口與計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 高低溫低氣壓試驗艙校準模塊

高低溫低氣壓試驗艙的校準須在保證試驗艙內(nèi)密封效果的前提下完成，壓力參數(shù)校準通過設(shè)置專用校準接口、安裝壓力傳感器方式實現(xiàn)校準。溫度參數(shù)校準須采用無線測試技術(shù)，即設(shè)計研制專用的無線測量模塊，將電源、電路、存儲介質(zhì)及敏感原件采用耐熱材料封裝，實現(xiàn)艙內(nèi)的溫度無線測量，并將數(shù)據(jù)存儲在模塊自身的存儲器內(nèi)，在校準工作完成后，再將模塊存儲器中的數(shù)據(jù)讀入計算機。

2.3 真空系統(tǒng)校準模塊

在真空系統(tǒng)中入口、出口分別安裝一個真空／絕壓變送器，當模擬座艙中注入的氣體和抽走的氣體達到穩(wěn)定動平衡時，測量壓力參數(shù)。

3 無線溫度校準裝置設(shè)計

無線校準系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、隔熱裝置2個部分，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被封裝在隔熱裝置中，隔熱裝置為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供一個溫度恒定的環(huán)境條件，保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在試驗艙內(nèi)的高低溫環(huán)境條件下能正常工作。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括敏感元件及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，具備信號采集、數(shù)據(jù)存儲和通訊等功能。數(shù)據(jù)采集存儲芯片將傳感器信號采集數(shù)據(jù)存儲起來，采用TI MSC1210Y5單片機，數(shù)字電路包括通信接口，測試數(shù)據(jù)通過上位機軟件導出，如圖3所示。

圖3 TI MSC1210Y5單片機結(jié)構(gòu)及引腳圖

隔熱裝置從外到內(nèi)分為外殼、真空隔熱層、蓄熱層，如圖4所示。

圖4 隔熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖

外部的殼體材料能夠耐溫，支撐整個隔熱箱、內(nèi)部保溫材料及采集器；真空隔熱層采用真空多層屏蔽結(jié)構(gòu)，抽真空至10－3Pa，內(nèi)置由導熱系數(shù)小的保溫材料制成的多層防輻射隔熱屏，有效阻止熱交換；蓄熱層利用蓄熱介質(zhì)的相變吸熱儲能，當溫度達到介質(zhì)融化溫度時，介質(zhì)吸收大量熱量，并保持溫度恒定。

4 結(jié)束語

氧氣濃縮器性能測試系統(tǒng)滿足分子篩氧氣濃縮器性能測試需要，可提供產(chǎn)品測試所需的各種參數(shù)，模擬實際飛行狀態(tài)的工作環(huán)境和狀態(tài)。在線校準裝置可對氧氣濃縮器性能測試系統(tǒng)進行在線校準，保證試驗參數(shù)準確可靠。

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