民用飛機空氣管理系統臺架試驗用傳感器的布局與選型考慮

段春　李德慶

【摘 要】空氣管理系統是為民用飛機艙內乘客提供生命保障和舒適環境的關鍵系統，有必要進行臺架試驗來對系統的各項功能和性能進行試驗驗證。臺架試驗中通過監測各個物理參數來驗證系統對溫度、壓力、流量等參數的調節能力，諸多的物理參數需要通過不同類型的傳感器來實現原始感測，以滿足試驗的測試需求，本文重點對空氣管理系統臺架試驗用傳感器的布局和選型進行了論述，具有實踐指導意義。

【關鍵詞】民用飛機；空氣管理系統；臺架試驗；傳感器

0 前言

空氣管理系統是民用飛機重要的機載系統之一。以飛機在大氣平流層內巡航為例，11000米高空的大氣壓力約為22.7kPa、溫度約為-56.5℃，并且空氣稀薄、臭氧濃度上升，人體若暴露于這樣的環境，很快便會死亡。因此空氣管理系統首先要為艙內乘客提供生命安全保障；其次，民用飛機用于商載用途必須面對市場同類產品的競爭，其空氣管理系統必須為乘客提供舒適的艙內大氣環境。對于150～200座級的民用飛機，空氣管理系統的普遍方案均是從發動機引出空氣，通過制冷、壓力調節等系統，為飛機各用氣區域供給合適的空氣。

空氣管理系統的臺架試驗必不可少，是驗證系統功能和性能的重要手段之一。臺架試驗作為研發試驗，可以在試驗室試驗中及時發現問題、解決問題，為系統優化設計提供依據；通過臺架試驗可以驗證系統各項指標是否達到方案設計要求；臺架試驗的另一個作用是實現故障復現，可以將在機上地面試驗或試飛試驗中發現的問題在試驗臺上進行故障復現，以幫助查找問題的根源所在。

為保證臺架試驗獲得準確可靠的數據，數據的測量、采集顯得尤為重要；而傳感器作為檢測不同物理參數的源頭，其作用不言而喻。傳感器的布局和選型需遵循科學合理的原則，需要經過多方面充分的分析和考慮，以確保臺架試驗的有效性。

1 傳感器的布局

空氣管理系統包括氣源系統、制冷系統、空氣分配系統、壓力調節系統等多個子系統，試驗臺架包括從氣源系統到空氣輸送末端的所有管路和設備，不模擬飛機增壓艙段，傳感器分布在各管路設備上。

傳感器的布局需遵循科學合理、具有可實現性的原則。臺架試驗是通過實測值和理論設計值對比，來實現系統的功能和性能驗證。理想狀態下，希望布置盡可能多的傳感器來獲得實測值；但實際情況是，空氣管理系統設備作為機載設備，受限于飛機結構的空間和重量要求，在很多地方做了特殊設計，許多希望加裝傳感器的地方并不具備安裝條件。在這樣的情況下，傳感器的布局原則就變成了在條件允許的情況下，盡量多布置。下面是以空氣分配系統（圖1）為例，在綜合考慮測試需求和安裝條件后，做出的傳感器安裝布局原理圖。

在試驗臺架上選擇傳感器加裝位置時，需考慮以下因素：

1）在冷熱氣流混合未充分的地方不易布置溫度傳感器，否則測試數據不具代表性；

2）在管路彎曲的地方不易布置壓力傳感器，否則會使測得值遠離真實需要值；

3）在有活門的管路，流量傳感器宜布置在活門上游，因為活門的作動會影響下游的流場；

4）布置流量傳感器時需考慮流量計對前后直管段的要求；

5）在測試點布置傳感器，應避免加裝的傳感器對測試目標造成影響，如無法避免，應將影響降至最低。

如果沒有在正確的位置加裝傳感器，試驗中諸多問題便會接踵而至，輕則導致測試數據失效，進而試驗無效、影響試驗進度；重則，由于錯誤的傳感器布局造成設備原有的強度降低，在試驗中發生事故造成重大損失。

2 傳感器的選型

根據圖1所示原理圖，試驗中需要測試的物理參數主要是溫度、壓力和流量，下面分別介紹對這幾類傳感器的選型考慮。

2.1 選型原則

鑒于傳感器是加裝到試驗室內的試驗臺架上，而非飛機上，減少了對設備的空間和重量限制，所以傳感器的重量和體積對選型影響較小；而精度、響應時間、量程和適用環境直接影響傳感器是否滿足測試需求，是需要著重考慮的因素；更重要的一點是所選擇的傳感器加裝到試驗臺架上不能影響系統原有的構型，當影響無法避免時，應選擇合適的類型使其對系統的影響降至最低。

2.2 溫度傳感器的選型

溫度傳感器主要選擇鎧裝K型熱電偶和鎧裝Pt100鉑熱電阻兩種類型，鎧裝形式是為了滿足強度需求。熱電偶反應快、量程范圍寬，主要用于氣源系統；熱電阻線性度好、精度高，主要用于余下場合。

2.3 壓力傳感器的選型

壓力傳感器的選型也分兩類。一種體積小、頻率響應高（達5kHz），適用于壓力變化快、需要測試系統動態特性的場合；另一種體積大、長期穩定性好、精度高，適用于壓力相對穩定、對安裝空間無限制的場合。

2.4 流量傳感器的選型

臺架試驗的流量測量需要的是質量流量值而非體積流量值。因為，在正常情況下，人體需要的新鮮空氣量為每分鐘0.7～0.9kg，而在0～30km的高度范圍內，大氣化學成分的比例基本穩定不變。所以在判斷系統流量控制和分配是否滿足要求時，需要測量的是空氣的質量流量，而非體積流量。

目前市場上可以實現質量流量測量的傳感器形式多種多樣，有采用直接測量法的流量計，如科氏力質量流量計、熱式質量流量計；有采用間接測量法的流量計，如孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、皮托管及均速管流量計等。試驗臺本身有許多限制條件，不是所有流量計都適用于空氣管理系統試驗臺，需要考慮多方面的因素。

加裝的流量計引入的壓力損失應盡量小、對流速、流場的影響盡量少，否則會影響原有的流量分配；流量計對直管段的要求應盡量低，因為試驗臺上管路的直管段并不理想；流量計不能對振動和游離水敏感，因為試驗臺本身可能存在振動和游離水；流量計需安裝拆卸方便、易于維護，需要替換掉原有管路的流量計不適合用于本試驗臺。

在綜合考慮各類流量計的特點、適用范圍和試驗臺的限制之后，選擇均速管來進行流量測量是最合適的方案，其安裝方便、引入壓力損失小同時滿足測量范圍和精度要求。

選定流量計類型后，在具體的安裝使用地點，仍然有許多需要注意的地方。每個流量計都必須根據使用點的溫度、壓力、流量、管徑、壁厚等因素進行科學的計算，然后對流量計進行正確的選型，否則測量仍然會出現額外誤差。

3 結語

民用飛機空氣管理系統的臺架試驗必不可少，試驗臺傳感系統的合理布局和正確選擇是臺架試驗有效性的基本保障。本文針對空氣管理系統試驗臺架的特點，在充分了解試驗測試需求和市場調研的基礎上，對傳感器的布局和選型考慮進行了的論述，整個傳感系統滿足試驗測試需求，具有很強的實踐操作指導意義。

【參考文獻】

[1]壽榮中，何慧姍.飛行器環境控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[2]朱春玲.飛行器環境控制與安全救生[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[3]黃德先，王京春，金以慧.過程控制系統[M].北京：清華大學出版社，2011.

[4]紀綱.流量測量儀表應用技巧[M].2版.北京：化學工業出版社，2009.

[5]程立嘉，程曉忠，左彥聲.大型客機空氣管理系統現狀與發展趨勢[J].航空科學技術，2008（3）：7-8.

[責任編輯：曹明明]

【摘 要】空氣管理系統是為民用飛機艙內乘客提供生命保障和舒適環境的關鍵系統，有必要進行臺架試驗來對系統的各項功能和性能進行試驗驗證。臺架試驗中通過監測各個物理參數來驗證系統對溫度、壓力、流量等參數的調節能力，諸多的物理參數需要通過不同類型的傳感器來實現原始感測，以滿足試驗的測試需求，本文重點對空氣管理系統臺架試驗用傳感器的布局和選型進行了論述，具有實踐指導意義。

【關鍵詞】民用飛機；空氣管理系統；臺架試驗；傳感器

0 前言

空氣管理系統是民用飛機重要的機載系統之一。以飛機在大氣平流層內巡航為例，11000米高空的大氣壓力約為22.7kPa、溫度約為-56.5℃，并且空氣稀薄、臭氧濃度上升，人體若暴露于這樣的環境，很快便會死亡。因此空氣管理系統首先要為艙內乘客提供生命安全保障；其次，民用飛機用于商載用途必須面對市場同類產品的競爭，其空氣管理系統必須為乘客提供舒適的艙內大氣環境。對于150～200座級的民用飛機，空氣管理系統的普遍方案均是從發動機引出空氣，通過制冷、壓力調節等系統，為飛機各用氣區域供給合適的空氣。

空氣管理系統的臺架試驗必不可少，是驗證系統功能和性能的重要手段之一。臺架試驗作為研發試驗，可以在試驗室試驗中及時發現問題、解決問題，為系統優化設計提供依據；通過臺架試驗可以驗證系統各項指標是否達到方案設計要求；臺架試驗的另一個作用是實現故障復現，可以將在機上地面試驗或試飛試驗中發現的問題在試驗臺上進行故障復現，以幫助查找問題的根源所在。

為保證臺架試驗獲得準確可靠的數據，數據的測量、采集顯得尤為重要；而傳感器作為檢測不同物理參數的源頭，其作用不言而喻。傳感器的布局和選型需遵循科學合理的原則，需要經過多方面充分的分析和考慮，以確保臺架試驗的有效性。

1 傳感器的布局

空氣管理系統包括氣源系統、制冷系統、空氣分配系統、壓力調節系統等多個子系統，試驗臺架包括從氣源系統到空氣輸送末端的所有管路和設備，不模擬飛機增壓艙段，傳感器分布在各管路設備上。

傳感器的布局需遵循科學合理、具有可實現性的原則。臺架試驗是通過實測值和理論設計值對比，來實現系統的功能和性能驗證。理想狀態下，希望布置盡可能多的傳感器來獲得實測值；但實際情況是，空氣管理系統設備作為機載設備，受限于飛機結構的空間和重量要求，在很多地方做了特殊設計，許多希望加裝傳感器的地方并不具備安裝條件。在這樣的情況下，傳感器的布局原則就變成了在條件允許的情況下，盡量多布置。下面是以空氣分配系統（圖1）為例，在綜合考慮測試需求和安裝條件后，做出的傳感器安裝布局原理圖。

在試驗臺架上選擇傳感器加裝位置時，需考慮以下因素：

1）在冷熱氣流混合未充分的地方不易布置溫度傳感器，否則測試數據不具代表性；

2）在管路彎曲的地方不易布置壓力傳感器，否則會使測得值遠離真實需要值；

3）在有活門的管路，流量傳感器宜布置在活門上游，因為活門的作動會影響下游的流場；

4）布置流量傳感器時需考慮流量計對前后直管段的要求；

5）在測試點布置傳感器，應避免加裝的傳感器對測試目標造成影響，如無法避免，應將影響降至最低。

如果沒有在正確的位置加裝傳感器，試驗中諸多問題便會接踵而至，輕則導致測試數據失效，進而試驗無效、影響試驗進度；重則，由于錯誤的傳感器布局造成設備原有的強度降低，在試驗中發生事故造成重大損失。

2 傳感器的選型

根據圖1所示原理圖，試驗中需要測試的物理參數主要是溫度、壓力和流量，下面分別介紹對這幾類傳感器的選型考慮。

2.1 選型原則

鑒于傳感器是加裝到試驗室內的試驗臺架上，而非飛機上，減少了對設備的空間和重量限制，所以傳感器的重量和體積對選型影響較小；而精度、響應時間、量程和適用環境直接影響傳感器是否滿足測試需求，是需要著重考慮的因素；更重要的一點是所選擇的傳感器加裝到試驗臺架上不能影響系統原有的構型，當影響無法避免時，應選擇合適的類型使其對系統的影響降至最低。

2.2 溫度傳感器的選型

溫度傳感器主要選擇鎧裝K型熱電偶和鎧裝Pt100鉑熱電阻兩種類型，鎧裝形式是為了滿足強度需求。熱電偶反應快、量程范圍寬，主要用于氣源系統；熱電阻線性度好、精度高，主要用于余下場合。

2.3 壓力傳感器的選型

壓力傳感器的選型也分兩類。一種體積小、頻率響應高（達5kHz），適用于壓力變化快、需要測試系統動態特性的場合；另一種體積大、長期穩定性好、精度高，適用于壓力相對穩定、對安裝空間無限制的場合。

2.4 流量傳感器的選型

臺架試驗的流量測量需要的是質量流量值而非體積流量值。因為，在正常情況下，人體需要的新鮮空氣量為每分鐘0.7～0.9kg，而在0～30km的高度范圍內，大氣化學成分的比例基本穩定不變。所以在判斷系統流量控制和分配是否滿足要求時，需要測量的是空氣的質量流量，而非體積流量。

目前市場上可以實現質量流量測量的傳感器形式多種多樣，有采用直接測量法的流量計，如科氏力質量流量計、熱式質量流量計；有采用間接測量法的流量計，如孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、皮托管及均速管流量計等。試驗臺本身有許多限制條件，不是所有流量計都適用于空氣管理系統試驗臺，需要考慮多方面的因素。

加裝的流量計引入的壓力損失應盡量小、對流速、流場的影響盡量少，否則會影響原有的流量分配；流量計對直管段的要求應盡量低，因為試驗臺上管路的直管段并不理想；流量計不能對振動和游離水敏感，因為試驗臺本身可能存在振動和游離水；流量計需安裝拆卸方便、易于維護，需要替換掉原有管路的流量計不適合用于本試驗臺。

在綜合考慮各類流量計的特點、適用范圍和試驗臺的限制之后，選擇均速管來進行流量測量是最合適的方案，其安裝方便、引入壓力損失小同時滿足測量范圍和精度要求。

選定流量計類型后，在具體的安裝使用地點，仍然有許多需要注意的地方。每個流量計都必須根據使用點的溫度、壓力、流量、管徑、壁厚等因素進行科學的計算，然后對流量計進行正確的選型，否則測量仍然會出現額外誤差。

3 結語

民用飛機空氣管理系統的臺架試驗必不可少，試驗臺傳感系統的合理布局和正確選擇是臺架試驗有效性的基本保障。本文針對空氣管理系統試驗臺架的特點，在充分了解試驗測試需求和市場調研的基礎上，對傳感器的布局和選型考慮進行了的論述，整個傳感系統滿足試驗測試需求，具有很強的實踐操作指導意義。

【參考文獻】

[1]壽榮中，何慧姍.飛行器環境控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[2]朱春玲.飛行器環境控制與安全救生[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[3]黃德先，王京春，金以慧.過程控制系統[M].北京：清華大學出版社，2011.

[4]紀綱.流量測量儀表應用技巧[M].2版.北京：化學工業出版社，2009.

[5]程立嘉，程曉忠，左彥聲.大型客機空氣管理系統現狀與發展趨勢[J].航空科學技術，2008（3）：7-8.

[責任編輯：曹明明]

【摘 要】空氣管理系統是為民用飛機艙內乘客提供生命保障和舒適環境的關鍵系統，有必要進行臺架試驗來對系統的各項功能和性能進行試驗驗證。臺架試驗中通過監測各個物理參數來驗證系統對溫度、壓力、流量等參數的調節能力，諸多的物理參數需要通過不同類型的傳感器來實現原始感測，以滿足試驗的測試需求，本文重點對空氣管理系統臺架試驗用傳感器的布局和選型進行了論述，具有實踐指導意義。

【關鍵詞】民用飛機；空氣管理系統；臺架試驗；傳感器

0 前言

空氣管理系統是民用飛機重要的機載系統之一。以飛機在大氣平流層內巡航為例，11000米高空的大氣壓力約為22.7kPa、溫度約為-56.5℃，并且空氣稀薄、臭氧濃度上升，人體若暴露于這樣的環境，很快便會死亡。因此空氣管理系統首先要為艙內乘客提供生命安全保障；其次，民用飛機用于商載用途必須面對市場同類產品的競爭，其空氣管理系統必須為乘客提供舒適的艙內大氣環境。對于150～200座級的民用飛機，空氣管理系統的普遍方案均是從發動機引出空氣，通過制冷、壓力調節等系統，為飛機各用氣區域供給合適的空氣。

空氣管理系統的臺架試驗必不可少，是驗證系統功能和性能的重要手段之一。臺架試驗作為研發試驗，可以在試驗室試驗中及時發現問題、解決問題，為系統優化設計提供依據；通過臺架試驗可以驗證系統各項指標是否達到方案設計要求；臺架試驗的另一個作用是實現故障復現，可以將在機上地面試驗或試飛試驗中發現的問題在試驗臺上進行故障復現，以幫助查找問題的根源所在。

為保證臺架試驗獲得準確可靠的數據，數據的測量、采集顯得尤為重要；而傳感器作為檢測不同物理參數的源頭，其作用不言而喻。傳感器的布局和選型需遵循科學合理的原則，需要經過多方面充分的分析和考慮，以確保臺架試驗的有效性。

1 傳感器的布局

空氣管理系統包括氣源系統、制冷系統、空氣分配系統、壓力調節系統等多個子系統，試驗臺架包括從氣源系統到空氣輸送末端的所有管路和設備，不模擬飛機增壓艙段，傳感器分布在各管路設備上。

傳感器的布局需遵循科學合理、具有可實現性的原則。臺架試驗是通過實測值和理論設計值對比，來實現系統的功能和性能驗證。理想狀態下，希望布置盡可能多的傳感器來獲得實測值；但實際情況是，空氣管理系統設備作為機載設備，受限于飛機結構的空間和重量要求，在很多地方做了特殊設計，許多希望加裝傳感器的地方并不具備安裝條件。在這樣的情況下，傳感器的布局原則就變成了在條件允許的情況下，盡量多布置。下面是以空氣分配系統（圖1）為例，在綜合考慮測試需求和安裝條件后，做出的傳感器安裝布局原理圖。

在試驗臺架上選擇傳感器加裝位置時，需考慮以下因素：

1）在冷熱氣流混合未充分的地方不易布置溫度傳感器，否則測試數據不具代表性；

2）在管路彎曲的地方不易布置壓力傳感器，否則會使測得值遠離真實需要值；

3）在有活門的管路，流量傳感器宜布置在活門上游，因為活門的作動會影響下游的流場；

4）布置流量傳感器時需考慮流量計對前后直管段的要求；

5）在測試點布置傳感器，應避免加裝的傳感器對測試目標造成影響，如無法避免，應將影響降至最低。

如果沒有在正確的位置加裝傳感器，試驗中諸多問題便會接踵而至，輕則導致測試數據失效，進而試驗無效、影響試驗進度；重則，由于錯誤的傳感器布局造成設備原有的強度降低，在試驗中發生事故造成重大損失。

2 傳感器的選型

根據圖1所示原理圖，試驗中需要測試的物理參數主要是溫度、壓力和流量，下面分別介紹對這幾類傳感器的選型考慮。

2.1 選型原則

鑒于傳感器是加裝到試驗室內的試驗臺架上，而非飛機上，減少了對設備的空間和重量限制，所以傳感器的重量和體積對選型影響較小；而精度、響應時間、量程和適用環境直接影響傳感器是否滿足測試需求，是需要著重考慮的因素；更重要的一點是所選擇的傳感器加裝到試驗臺架上不能影響系統原有的構型，當影響無法避免時，應選擇合適的類型使其對系統的影響降至最低。

2.2 溫度傳感器的選型

溫度傳感器主要選擇鎧裝K型熱電偶和鎧裝Pt100鉑熱電阻兩種類型，鎧裝形式是為了滿足強度需求。熱電偶反應快、量程范圍寬，主要用于氣源系統；熱電阻線性度好、精度高，主要用于余下場合。

2.3 壓力傳感器的選型

壓力傳感器的選型也分兩類。一種體積小、頻率響應高（達5kHz），適用于壓力變化快、需要測試系統動態特性的場合；另一種體積大、長期穩定性好、精度高，適用于壓力相對穩定、對安裝空間無限制的場合。

2.4 流量傳感器的選型

臺架試驗的流量測量需要的是質量流量值而非體積流量值。因為，在正常情況下，人體需要的新鮮空氣量為每分鐘0.7～0.9kg，而在0～30km的高度范圍內，大氣化學成分的比例基本穩定不變。所以在判斷系統流量控制和分配是否滿足要求時，需要測量的是空氣的質量流量，而非體積流量。

目前市場上可以實現質量流量測量的傳感器形式多種多樣，有采用直接測量法的流量計，如科氏力質量流量計、熱式質量流量計；有采用間接測量法的流量計，如孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、皮托管及均速管流量計等。試驗臺本身有許多限制條件，不是所有流量計都適用于空氣管理系統試驗臺，需要考慮多方面的因素。

加裝的流量計引入的壓力損失應盡量小、對流速、流場的影響盡量少，否則會影響原有的流量分配；流量計對直管段的要求應盡量低，因為試驗臺上管路的直管段并不理想；流量計不能對振動和游離水敏感，因為試驗臺本身可能存在振動和游離水；流量計需安裝拆卸方便、易于維護，需要替換掉原有管路的流量計不適合用于本試驗臺。

在綜合考慮各類流量計的特點、適用范圍和試驗臺的限制之后，選擇均速管來進行流量測量是最合適的方案，其安裝方便、引入壓力損失小同時滿足測量范圍和精度要求。

選定流量計類型后，在具體的安裝使用地點，仍然有許多需要注意的地方。每個流量計都必須根據使用點的溫度、壓力、流量、管徑、壁厚等因素進行科學的計算，然后對流量計進行正確的選型，否則測量仍然會出現額外誤差。

3 結語

民用飛機空氣管理系統的臺架試驗必不可少，試驗臺傳感系統的合理布局和正確選擇是臺架試驗有效性的基本保障。本文針對空氣管理系統試驗臺架的特點，在充分了解試驗測試需求和市場調研的基礎上，對傳感器的布局和選型考慮進行了的論述，整個傳感系統滿足試驗測試需求，具有很強的實踐操作指導意義。

【參考文獻】

[1]壽榮中，何慧姍.飛行器環境控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[2]朱春玲.飛行器環境控制與安全救生[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[3]黃德先，王京春，金以慧.過程控制系統[M].北京：清華大學出版社，2011.

[4]紀綱.流量測量儀表應用技巧[M].2版.北京：化學工業出版社，2009.

[5]程立嘉，程曉忠，左彥聲.大型客機空氣管理系統現狀與發展趨勢[J].航空科學技術，2008（3）：7-8.

[責任編輯：曹明明]