張 坤， 張?zhí)煅螅?韓吉慶， 王 龍， 林 帥， 劉原棟，劉 霞， 冀克儉， 楊利平， 黃 鴻

(1. 山東非金屬材料研究所，山東 濟(jì)南 250031; 2. 重慶大學(xué) 光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

0 引 言

噴氣燃料是一種輕質(zhì)石油產(chǎn)品，是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的專用水分離燃料。目前國(guó)內(nèi)外普遍生產(chǎn)和廣泛使用的噴氣燃料基本屬于煤油型。噴氣燃料的品質(zhì)關(guān)乎飛機(jī)的飛行安全，因此噴氣燃料質(zhì)量檢測(cè)對(duì)于航空航天行業(yè)是必要的，噴氣燃料質(zhì)量控制檢測(cè)項(xiàng)目主要包括：成分、餾程、燃燒性、流動(dòng)性、潔凈性等[1]。其中潔凈性最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)是水分離指數(shù)，指噴氣燃料通過(guò)凝聚過(guò)濾介質(zhì)時(shí)分離水的難易程度的數(shù)值[2]。當(dāng)噴氣燃料水分離指數(shù)過(guò)低時(shí)將影響飛機(jī)的燃油系統(tǒng)脫水效果，在高空低溫的環(huán)境下極易導(dǎo)致燃料結(jié)冰，造成飛行事故[3]。因此，如何對(duì)噴氣燃料的水分離指數(shù)進(jìn)行高效、精確的系統(tǒng)測(cè)量在航空航天領(lǐng)域顯得尤為重要。

目前，國(guó)內(nèi)各單位均使用美國(guó)EMCEE公司的手提式 Mark V Deluxe 1140（1140）型水分離指數(shù)儀；進(jìn)口一次性測(cè)試套件：包括50mL塑料注射器、注射器堵頭、直徑瓶、鋁質(zhì)聚結(jié)器等[4]。因此，為了填補(bǔ)國(guó)內(nèi)關(guān)于航空航天領(lǐng)域噴氣燃料水分離指數(shù)測(cè)定儀的空白并滿足及時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)定需求，本文從紫外光譜噴氣燃料水分離指數(shù)的測(cè)定原理[5]以及單片機(jī)STC8A8KS64A12（STC8）的可實(shí)現(xiàn)功能出發(fā)，搭建一套基于紫外光譜便攜式噴氣燃料水分離指數(shù)測(cè)定系統(tǒng)。本文將從測(cè)量原理及系統(tǒng)整體架構(gòu)、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)三個(gè)方面對(duì)便攜式噴氣燃料水分離指數(shù)測(cè)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

1 測(cè)量原理及系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.1 噴氣燃料水分離指數(shù)測(cè)定的基本原理

水分離指數(shù)是評(píng)定燃料潔凈性的指標(biāo)，是用來(lái)評(píng)價(jià)燃料通過(guò)凝聚介質(zhì)時(shí)分離水難易程度的數(shù)值，它以0～100單位表示，潔凈透明的燃料水分離指數(shù)為100，數(shù)值越高，表示燃料中的水易聚結(jié)，燃料中含有較少的表面活性物質(zhì)；數(shù)值低，表示燃料中的水難聚結(jié)，含有較多的表面活性物質(zhì)[6]。

當(dāng)一束光照射待測(cè)噴氣燃料時(shí)，液體與入射光發(fā)生相互作用，會(huì)產(chǎn)生折射、散射和吸收現(xiàn)象[7-8]，燃料中水分含量的變化會(huì)導(dǎo)致透射光光強(qiáng)產(chǎn)生變化，通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)的變化，可以測(cè)出燃料中水分的多少，具體如圖1所示。該方法為衰減光測(cè)量法，遵循光的吸收定律，又被稱作朗伯-比爾定律。

圖1 衰減光測(cè)量法

朗伯-比爾定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

lg(Io/IT)——吸光度，用A來(lái)表示；若A越大，燃料對(duì)入射光吸收越多；

K——摩爾吸收系數(shù)，與燃料本身的性質(zhì)以及

入射光波長(zhǎng)有關(guān)；

l——樣品槽厚度；

c——過(guò)濾后燃料的含水量。

將朗伯-比爾定律變換，得到：

由公式(2)可以得出，當(dāng)入射光強(qiáng)度、入射光波長(zhǎng)和溶液水分一定時(shí)，隨著溶液厚度（光程）的增加，透射光強(qiáng)度與溶液的厚度成指數(shù)減小的關(guān)系。當(dāng)入射光強(qiáng)度、入射光的波長(zhǎng)和待測(cè)液的厚度一定時(shí)，隨著噴氣燃料中水分的增加，透射光的強(qiáng)度隨之減小。

為確定系統(tǒng)光源的光譜波段范圍，本文根據(jù)石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0616—1995[9]配制了水分離指數(shù)分別為 65、70、72、80、88、89、99的七種標(biāo)準(zhǔn)噴氣燃料，并采集了它們的紫外-可見(jiàn)光吸收光譜[10]，結(jié)果如圖2所示。噴氣燃料的光譜吸收測(cè)試表明：不同水分離指數(shù)的噴氣燃料在光波長(zhǎng)為350 nm附近的吸收曲線區(qū)分度較高、線性度好[5，11]；因此本系統(tǒng)選取(350±5)nm的LED作為光源，同時(shí)選取對(duì)應(yīng)光譜波段的光電池作為接收器。

圖2 噴氣燃料光譜吸收?qǐng)D

1.2 噴氣燃料水分離指數(shù)測(cè)定的系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)上述原理以及SH/T0616-1995噴氣燃料水分離指數(shù)測(cè)定法(手提式分離儀法)[9]標(biāo)準(zhǔn)流程介紹，水分離指數(shù)的測(cè)量需要將噴氣燃料與水充分混合，然后通過(guò)凝聚介質(zhì)分離水得到待測(cè)樣本，再將其放入樣品槽測(cè)量。因此，噴氣燃料的水分離指數(shù)測(cè)定系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃槿榛?、水分離、測(cè)量三大模塊。

為了讓噴氣燃料中親水化合物充分與水接觸，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)乳化模塊充分?jǐn)嚢鑷姎馊剂吓c水的混合物。然后，通過(guò)水分離模塊實(shí)現(xiàn)未混合的噴氣燃料與水的分離。最后由測(cè)量模塊測(cè)定水分離時(shí)最后15 mL噴氣燃料的水分離指數(shù)。為實(shí)現(xiàn)以上模塊，本文設(shè)計(jì)的水分離指數(shù)測(cè)定系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)主要由主控模塊、電源管理模塊、測(cè)量模塊、水分離模塊、乳化模塊、按鍵模塊以及顯示模塊組成。主控模塊的微處理器（micro controller unit, MCU）采用 STC 公司芯片 STC8A8KS64A12；電源管理模塊主要由電壓轉(zhuǎn)換電路組成；水分離模塊與乳化模塊均由主控MCU產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制波（pulse width modulation，PWM）信號(hào)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)；測(cè)量模塊由光學(xué)組件以及信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大與采集電路組成；顯示模塊為通用的外部接口實(shí)現(xiàn)；按鍵模塊由矩陣鍵盤與開(kāi)關(guān)機(jī)按鍵組成。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體硬件設(shè)計(jì)

圖4為系統(tǒng)整體硬件框架圖。硬件電源電路負(fù)責(zé)給單片機(jī)、電機(jī)、光源等器件供電。主要由不同的降壓電路分別為主控芯片STC8提供5 V直流電壓，為光源提供±5 V直流電壓；12 V外部輸入電壓直接用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)。I/V電路構(gòu)成了測(cè)量模塊的主體電路。主要負(fù)責(zé)電流信號(hào)與電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的放大以便采集讀取。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)流程，主控模塊主要負(fù)責(zé)控制電機(jī)、獲得測(cè)量結(jié)果以及多模塊間聯(lián)調(diào)。

圖4 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)

主控芯片通過(guò)指令控制系統(tǒng)流程的啟動(dòng)與終止，調(diào)配按鍵、顯示、定時(shí)器、電機(jī)、AD轉(zhuǎn)換等多項(xiàng)功能協(xié)同工作。主控芯片STC8搭載12位高精度AD轉(zhuǎn)換外設(shè)，能夠精確讀取I/V電路輸出的測(cè)量電壓。主控芯片STC8產(chǎn)生15位增強(qiáng)型PWM波控制電機(jī)的啟停與轉(zhuǎn)速。為保證電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，在電機(jī)控制程序中加入閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制算法(proportion integral differential, PID）。

本系統(tǒng)需要兩個(gè)直流電機(jī)，分別負(fù)責(zé)高速攪拌注射器內(nèi)的液體（乳化模塊）及驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)水分離注射器（水分離模塊），本文將這兩種電機(jī)稱為乳化電機(jī)及水分離電機(jī)。根據(jù)系統(tǒng)要求，乳化裝置的轉(zhuǎn)速不低于25 000 r/min。由于我們機(jī)械結(jié)構(gòu)的放大比為 3∶1，所以選用額定轉(zhuǎn)速為 9 000 r/min、額定電壓為DC12V的直流無(wú)刷電機(jī)，其型號(hào)為GMP36-DMKE4266。根據(jù)系統(tǒng)要求，水分離電機(jī)的推力不低于400 N的力均勻水分離注射器，所以選用大扭矩的直流減速無(wú)刷電機(jī)，其型號(hào)為GMP36-DMKE3650。額定轉(zhuǎn)速為 5 300 r/min，減速比 1∶14，最高輸出轉(zhuǎn)速為378 r/min。電機(jī)詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)詳細(xì)參數(shù)

2.2 I/V轉(zhuǎn)換電路模塊設(shè)計(jì)

I/V轉(zhuǎn)換電路模塊主要包括電流電壓轉(zhuǎn)換電路以及反向放大電路，其作用是將光電池產(chǎn)生的光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為供AD采樣模塊采集的電壓信號(hào)。

其中I/V轉(zhuǎn)換電路如圖5所示，作用是將接收器電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，光電池產(chǎn)生的光電流典型值為163 nA，一級(jí)放大倍數(shù)為120 k，因此輸出電壓典型值為19.6 mV；反向放大電路采用反向比例運(yùn)算放大電路，電路圖如圖6所示，反饋電阻為兩個(gè)最大100的可調(diào)電阻，放大倍數(shù)如下式所示：

圖5 I/V轉(zhuǎn)換電路

圖6 反向放大電路

AD采樣模塊的電壓接受范圍為0～2.5 V，因此通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電阻與，將放大倍數(shù)調(diào)至約120倍，輸出電壓為2.25 V，滿足AD采樣電路的電壓要求。電路中間加入RC低通濾波電路并且最后集成直流偏置電路以去除噪聲增加穩(wěn)定性。

2.3 電源管理模塊設(shè)計(jì)

乳化直流電機(jī)與水分離直流電機(jī)的額定電壓均為12 V直流電壓，STC8主控模塊的額定電壓為5 V直流電壓，測(cè)量模塊需要±5 V直流電壓。因此，電源管理模塊選擇12 V電池作為外部輸入電源；并為主控模塊設(shè)計(jì)12 V降5 V降壓電路如圖7所示，降壓電壓采用CJ7805降壓芯片，此芯片最大輸出電流可達(dá)到1.5 A，完全滿足主控模塊的要求；以及為測(cè)量模塊設(shè)計(jì)12 V降±5 V降壓電路如圖8所示，降壓電路采用A0505S-1WR3降壓芯片，此芯片最大輸出電壓可達(dá)到±100 mA，并具備持續(xù)電路保護(hù)。

圖7 12/5V降壓電路

圖8 12/±5V降壓電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

該水分離指數(shù)測(cè)量系統(tǒng)主要通過(guò)鍵盤按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，對(duì)測(cè)量模式、操作流程、緊急復(fù)位等進(jìn)行控制以符合測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)要求。測(cè)量模式主要包括A測(cè)量模式、B測(cè)量模式以及潔凈度（C）測(cè)量模式。A測(cè)量模式和B測(cè)量模式整體流程相同，但是A測(cè)量模式主要用于1號(hào)噴氣燃料、2號(hào)噴氣燃料、3號(hào)噴氣燃料以及高閃點(diǎn)噴氣燃料的水分離指數(shù)測(cè)量，B測(cè)量模式主要用于寬分餾噴氣燃料的水分離指數(shù)測(cè)量。因此，在水分離過(guò)程中所要求的時(shí)間也不同，A測(cè)量模式為 45 s，B測(cè)量模式為 25 s。潔凈度測(cè)量模式用于測(cè)量噴氣燃料的潔凈度。整個(gè)系統(tǒng)的程序流程圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 基于PWM的電機(jī)驅(qū)動(dòng)

乳化電機(jī)及水分離電機(jī)皆采用脈沖寬度調(diào)制波驅(qū)動(dòng)，PWM驅(qū)動(dòng)原理在于調(diào)節(jié)PWM占空比（即高電平占PWM周期的）的大小從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。為確保水分離時(shí)間和乳化轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)化，我們?cè)谒蛛x程序和乳化程序中均加入了PID閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制算法[12-14]以確保水分離速度和乳化速度的穩(wěn)定。PID控制算法如下式所示：

由于電機(jī)轉(zhuǎn)速需要一定時(shí)長(zhǎng)達(dá)到穩(wěn)定，為增強(qiáng)PID調(diào)速的穩(wěn)定性，本軟件在控制程序中添加一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定判斷。PID實(shí)際控制邏輯如圖10所示。

圖10 PID控制邏輯

水分離電機(jī)和乳化電機(jī)控制流程相同，僅在PID控制算法的參數(shù)和額定速度設(shè)置上有略微差異。具體參數(shù)配置如表2所示。

表2 不同模式下PID參數(shù)配置

3.3 數(shù)據(jù)處理

STC8芯片集成的是15路12位逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)80萬(wàn)次/s，滿足系統(tǒng)電壓采樣需求。采樣過(guò)程的軟件處理步驟如圖11所示，主要包括：配置ADC、采集原始A/D值、原始值轉(zhuǎn)換為電壓值、電壓值數(shù)據(jù)處理。由于噴氣燃料溶液內(nèi)部的不均勻以及未完全消除的外界光線干擾，采樣電路得到的電壓值存在一定的波動(dòng)。為了保證測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性，在數(shù)據(jù)測(cè)量模塊添加滑動(dòng)窗口的濾波方法。具體做法如下：連續(xù)取N個(gè)采樣值作為一個(gè)數(shù)組 buffer，此處N取 50；首先計(jì)算得到buffer的平均值，刪除掉與平均值誤差最大的數(shù)據(jù)；然后將平均值插入進(jìn)buffer，計(jì)算得到新buffer的平均值作為最后的測(cè)量值。

圖11 AD采樣步驟

4 系統(tǒng)調(diào)試與試驗(yàn)

4.1 I/V轉(zhuǎn)換放大模塊數(shù)據(jù)采集功能測(cè)試

對(duì)I/V轉(zhuǎn)換放大模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集功能測(cè)試，采用直流穩(wěn)壓電源GPS-2303C作為I/V轉(zhuǎn)換放大模塊的輸入。電壓范圍為10～19 mV，每隔2 mV記錄一次放大后電壓輸出，該輸出電壓作為放大電路輸入，放大電路放大倍數(shù)設(shè)置為120，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。該實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)的I/V轉(zhuǎn)換放大電路輸出滿足STC8芯片AD采樣的電壓范圍，同時(shí)具有穩(wěn)定的線性放大能力和極強(qiáng)的抗干擾能力。

表3 I/V轉(zhuǎn)換放大模塊功能測(cè)試

4.2 電機(jī)控制功能測(cè)試

由單片機(jī)向電機(jī)發(fā)送不同占空比的PWM波，實(shí)現(xiàn)不同電機(jī)轉(zhuǎn)速的指令。并根據(jù)電機(jī)集成的霍爾編碼器反饋的脈沖數(shù)計(jì)算當(dāng)前電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。經(jīng)程序處理，將當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速、總行程以及驅(qū)動(dòng)時(shí)間經(jīng)由LCD12864顯示器顯示，如圖12所示。當(dāng)實(shí)時(shí)反饋轉(zhuǎn)速小于設(shè)定速度區(qū)間時(shí)，由PID控制程序增大PWM波占空比；當(dāng)實(shí)時(shí)反饋轉(zhuǎn)速處于設(shè)定速度區(qū)間時(shí)，PWM波占空比不變；當(dāng)實(shí)時(shí)反饋轉(zhuǎn)速大于設(shè)定速度區(qū)間時(shí)，由PID控制程序減小PWM波占空比。

圖12 電機(jī)速度功能測(cè)試

4.3 系統(tǒng)功能流程測(cè)試

噴氣燃料的水分離指數(shù)測(cè)定系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃槿榛⑺蛛x、測(cè)量三大模塊。系統(tǒng)功能流程以操作面板為展示樣例，如圖13所示。從左到右從上到下分別為模式選擇、乳化、水分離以及測(cè)量四個(gè)功能流程。

圖13 系統(tǒng)功能流程測(cè)試

根據(jù)SH/T 0616—1995標(biāo)準(zhǔn)要求，乳化功能對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速有明確要求，水分離功能對(duì)于推進(jìn)時(shí)間有明確要求。因此，本文對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 系統(tǒng)功能流程測(cè)試

在五次實(shí)驗(yàn)中，乳化轉(zhuǎn)速與水分離時(shí)間均在可接受范圍內(nèi)，證明本文所設(shè)計(jì)的水分離指數(shù)測(cè)定系統(tǒng)測(cè)量在功能流程上符合石油化工標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0616—1995。測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性將在下節(jié)驗(yàn)證。

4.4 水分離指數(shù)測(cè)定試驗(yàn)

本文根據(jù)以上水分離指數(shù)測(cè)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)，制備了一套水分離指數(shù)測(cè)定儀器如圖14所示。并使用該儀器進(jìn)行水分離指數(shù)測(cè)定試驗(yàn)。

圖14 水分離指數(shù)測(cè)定儀器

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)配制好水分離指數(shù)為99、89、80、72、65一共5組數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，研制系統(tǒng)的每組實(shí)驗(yàn)結(jié)果均為5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 水分離指數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)

在五組水分離指數(shù)實(shí)驗(yàn)中，本系統(tǒng)的實(shí)測(cè)值均在可接受范圍之內(nèi)，證明本系統(tǒng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 11129—89[15]以及石油化工標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0616—1995[9]的要求。與國(guó)外儀器1140相比，本系統(tǒng)的實(shí)測(cè)值更接近理論值。并且五組實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值的方差明顯小于1140，證明本系統(tǒng)的穩(wěn)定性優(yōu)于1140。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從紫外光譜噴氣燃料水分離指數(shù)的測(cè)定原理以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)流程出發(fā)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種噴氣燃料水分離指數(shù)測(cè)定系統(tǒng)。首先對(duì)噴氣燃料與水的液體混合物進(jìn)行乳化，然后結(jié)合PID算法實(shí)現(xiàn)水分離過(guò)程的精確控制，最后利用測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定噴氣燃料的水分離指數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的基于紫外光譜的噴氣燃料水分離指數(shù)測(cè)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、安全性高、抗干擾能力強(qiáng)、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)能夠滿足石油化工標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0616—1995的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，具有較強(qiáng)的優(yōu)越性和良好的市場(chǎng)潛力。