機(jī)載氧氣濃縮器性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及校準(zhǔn)技術(shù)研究

徐正紅， 杜 珍

（1.安徽省長(zhǎng)江計(jì)量所，安徽 合 肥 230088；2.安徽省東風(fēng)機(jī)電科技股份有限公司，安徽 合 肥 230022）

分子篩機(jī)載制氧技術(shù)是飛機(jī)氧氣系統(tǒng)發(fā)展的最新應(yīng)用技術(shù)，它使飛機(jī)無須攜帶氧氣，在空中自主產(chǎn)氧，徹底改變了飛機(jī)續(xù)航時(shí)間受機(jī)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(duì)于氮?dú)獾膬?yōu)先吸附，實(shí)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(jì)可模擬飛行工作參數(shù)的性能測(cè)試系統(tǒng)來測(cè)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(yàn)高度和輸出參數(shù)［3］。氧氣濃縮器性能測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)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(cè)等［4－6］。

1 性能測(cè)試系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)原理

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

氣源系統(tǒng)提供試驗(yàn)參數(shù)可調(diào)節(jié)的潔凈氣源，由空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、冷卻式干燥機(jī)、過濾器、吸附式干燥機(jī)、制冷機(jī)組、加熱器、調(diào)壓閥等組成。空壓機(jī)產(chǎn)生高壓氣體后輸入儲(chǔ)氣罐中為系統(tǒng)供氣，冷卻式干燥機(jī)、過濾器、吸附式干燥機(jī)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(jī)組和加熱器的氣體分配比例進(jìn)行調(diào)節(jié)。

高低溫低氣壓試驗(yàn)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(jī)組、真空罐、模擬座艙、氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥等組成。真空機(jī)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(shí)現(xiàn)。

測(cè)控系統(tǒng)由傳感器、回路控制器、調(diào)節(jié)閥門、計(jì)算機(jī)等組成，可實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)測(cè)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(shí)現(xiàn)。

1.2 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)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(gè)部分，由工控機(jī)、測(cè)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(jì)、溫濕度變送器測(cè)量；試驗(yàn)高度大氣壓力、溫度由高低溫低氣壓試驗(yàn)箱提供；脫附壓力由真空計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)換成高度；座艙壓力由壓力控制器測(cè)量。信號(hào)傳送到工控機(jī)，同時(shí)輸出送到儀表顯示。

采用2個(gè)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(hào)。

（2）控制系統(tǒng)。供氣溫度由三通調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，當(dāng)供氣溫度高于氣源溫度時(shí)，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(dāng)供氣溫度低于氣源溫度時(shí)，加熱電路斷開，制冷機(jī)運(yùn)行。

供氣壓力采用壓力控制器對(duì)閥后壓力進(jìn)行PI控制方式調(diào)節(jié)；脫附壓力用氣動(dòng)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(yàn)箱內(nèi)溫度、壓力由高低溫低氣壓試驗(yàn)箱自行調(diào)節(jié)。

輸出產(chǎn)品氣流量通過手動(dòng)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(hào)的輸出，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)、真空泵、制冷機(jī)、加熱器、吸附式干燥器開關(guān)控制。

2 性能測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)

對(duì)于性能測(cè)試系統(tǒng)而言，只有測(cè)試參數(shù)準(zhǔn)確，其測(cè)試結(jié)果對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量控制才有意義。因此，研究性能測(cè)試系統(tǒng)綜合在線校準(zhǔn)技術(shù)同樣重要。校準(zhǔn)裝置分成氣源系統(tǒng)校準(zhǔn)模塊、高低溫低氣壓試驗(yàn)艙校準(zhǔn)模塊、真空系統(tǒng)校準(zhǔn)模塊，如圖2所示。

圖2 氧氣濃縮器性能測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置原理框圖

2.1 氣源系統(tǒng)校準(zhǔn)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(hào)，接入數(shù)據(jù)采集模塊，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)。

溫濕度測(cè)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(guó)GE公司PDCR5000壓力傳感器，流量測(cè)試采用美國(guó)Alicat M氣體質(zhì)量流量計(jì)。

電測(cè)單元采用KEITHLEY2700數(shù)據(jù)采集單元，數(shù)據(jù)采集單元通過擴(kuò)展卡與傳感器相連，傳感器輸出信號(hào)由數(shù)字多用表測(cè)出后通過RS232口與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 高低溫低氣壓試驗(yàn)艙校準(zhǔn)模塊

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

2.3 真空系統(tǒng)校準(zhǔn)模塊

在真空系統(tǒng)中入口、出口分別安裝一個(gè)真空／絕壓變送器，當(dāng)模擬座艙中注入的氣體和抽走的氣體達(dá)到穩(wěn)定動(dòng)平衡時(shí)，測(cè)量壓力參數(shù)。

3 無線溫度校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)

無線校準(zhǔn)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、隔熱裝置2個(gè)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(gè)溫度恒定的環(huán)境條件，保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在試驗(yàn)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(hào)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通訊等功能。數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)芯片將傳感器信號(hào)采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，采用TI MSC1210Y5單片機(jī)，數(shù)字電路包括通信接口，測(cè)試數(shù)據(jù)通過上位機(jī)軟件導(dǎo)出，如圖3所示。

圖3 TI MSC1210Y5單片機(jī)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(gè)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(dǎo)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(chǔ)能，當(dāng)溫度達(dá)到介質(zhì)融化溫度時(shí)，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(cè)試系統(tǒng)滿足分子篩氧氣濃縮器性能測(cè)試需要，可提供產(chǎn)品測(cè)試所需的各種參數(shù)，模擬實(shí)際飛行狀態(tài)的工作環(huán)境和狀態(tài)。在線校準(zhǔn)裝置可對(duì)氧氣濃縮器性能測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行在線校準(zhǔn)，保證試驗(yàn)參數(shù)準(zhǔn)確可靠。

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