紫外光譜噴氣燃料水分離指數測定系統設計

張 坤， 張天洋， 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 濟南 250031; 2. 重慶大學 光電技術及系統教育部重點實驗室，重慶 400044)

0 引 言

噴氣燃料是一種輕質石油產品，是噴氣發動機的專用水分離燃料。目前國內外普遍生產和廣泛使用的噴氣燃料基本屬于煤油型。噴氣燃料的品質關乎飛機的飛行安全，因此噴氣燃料質量檢測對于航空航天行業是必要的，噴氣燃料質量控制檢測項目主要包括：成分、餾程、燃燒性、流動性、潔凈性等[1]。其中潔凈性最重要的評價指標是水分離指數，指噴氣燃料通過凝聚過濾介質時分離水的難易程度的數值[2]。當噴氣燃料水分離指數過低時將影響飛機的燃油系統脫水效果，在高空低溫的環境下極易導致燃料結冰，造成飛行事故[3]。因此，如何對噴氣燃料的水分離指數進行高效、精確的系統測量在航空航天領域顯得尤為重要。

目前，國內各單位均使用美國EMCEE公司的手提式 Mark V Deluxe 1140（1140）型水分離指數儀；進口一次性測試套件：包括50mL塑料注射器、注射器堵頭、直徑瓶、鋁質聚結器等[4]。因此，為了填補國內關于航空航天領域噴氣燃料水分離指數測定儀的空白并滿足及時準確的測定需求，本文從紫外光譜噴氣燃料水分離指數的測定原理[5]以及單片機STC8A8KS64A12（STC8）的可實現功能出發，搭建一套基于紫外光譜便攜式噴氣燃料水分離指數測定系統。本文將從測量原理及系統整體架構、系統硬件電路的設計以及系統軟件設計三個方面對便攜式噴氣燃料水分離指數測定系統設計進行詳細的闡述。

1 測量原理及系統整體架構

1.1 噴氣燃料水分離指數測定的基本原理

水分離指數是評定燃料潔凈性的指標，是用來評價燃料通過凝聚介質時分離水難易程度的數值，它以0～100單位表示，潔凈透明的燃料水分離指數為100，數值越高，表示燃料中的水易聚結，燃料中含有較少的表面活性物質；數值低，表示燃料中的水難聚結，含有較多的表面活性物質[6]。

當一束光照射待測噴氣燃料時，液體與入射光發生相互作用，會產生折射、散射和吸收現象[7-8]，燃料中水分含量的變化會導致透射光光強產生變化，通過測量光強的變化，可以測出燃料中水分的多少，具體如圖1所示。該方法為衰減光測量法，遵循光的吸收定律，又被稱作朗伯-比爾定律。

圖1 衰減光測量法

朗伯-比爾定律的數學表達式為：

lg(Io/IT)——吸光度，用A來表示；若A越大，燃料對入射光吸收越多；

K——摩爾吸收系數，與燃料本身的性質以及

入射光波長有關；

l——樣品槽厚度；

c——過濾后燃料的含水量。

將朗伯-比爾定律變換，得到：

由公式(2)可以得出，當入射光強度、入射光波長和溶液水分一定時，隨著溶液厚度（光程）的增加，透射光強度與溶液的厚度成指數減小的關系。當入射光強度、入射光的波長和待測液的厚度一定時，隨著噴氣燃料中水分的增加，透射光的強度隨之減小。

為確定系統光源的光譜波段范圍，本文根據石油化工行業標準SH/T 0616—1995[9]配制了水分離指數分別為 65、70、72、80、88、89、99的七種標準噴氣燃料，并采集了它們的紫外-可見光吸收光譜[10]，結果如圖2所示。噴氣燃料的光譜吸收測試表明：不同水分離指數的噴氣燃料在光波長為350 nm附近的吸收曲線區分度較高、線性度好[5，11]；因此本系統選取(350±5)nm的LED作為光源，同時選取對應光譜波段的光電池作為接收器。

圖2 噴氣燃料光譜吸收圖

1.2 噴氣燃料水分離指數測定的系統架構

根據上述原理以及SH/T0616-1995噴氣燃料水分離指數測定法(手提式分離儀法)[9]標準流程介紹，水分離指數的測量需要將噴氣燃料與水充分混合，然后通過凝聚介質分離水得到待測樣本，再將其放入樣品槽測量。因此，噴氣燃料的水分離指數測定系統主要劃分為乳化、水分離、測量三大模塊。

為了讓噴氣燃料中親水化合物充分與水接觸，本系統設計乳化模塊充分攪拌噴氣燃料與水的混合物。然后，通過水分離模塊實現未混合的噴氣燃料與水的分離。最后由測量模塊測定水分離時最后15 mL噴氣燃料的水分離指數。為實現以上模塊，本文設計的水分離指數測定系統整體結構如圖3所示。

圖3 系統結構框圖

本系統主要由主控模塊、電源管理模塊、測量模塊、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換電路組成；水分離模塊與乳化模塊均由主控MCU產生脈沖寬度調制波（pulse width modulation，PWM）信號驅動直流電機實現；測量模塊由光學組件以及信號轉換、放大與采集電路組成；顯示模塊為通用的外部接口實現；按鍵模塊由矩陣鍵盤與開關機按鍵組成。

2 硬件設計

2.1 總體硬件設計

圖4為系統整體硬件框架圖。硬件電源電路負責給單片機、電機、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驅動。I/V電路構成了測量模塊的主體電路。主要負責電流信號與電壓信號的轉換，并實現電壓信號的放大以便采集讀取。根據標準流程，主控模塊主要負責控制電機、獲得測量結果以及多模塊間聯調。

圖4 系統整體硬件設計

主控芯片通過指令控制系統流程的啟動與終止，調配按鍵、顯示、定時器、電機、AD轉換等多項功能協同工作。主控芯片STC8搭載12位高精度AD轉換外設，能夠精確讀取I/V電路輸出的測量電壓。主控芯片STC8產生15位增強型PWM波控制電機的啟停與轉速。為保證電機轉速的穩定，在電機控制程序中加入閉環轉速控制算法(proportion integral differential, PID）。

本系統需要兩個直流電機，分別負責高速攪拌注射器內的液體（乳化模塊）及驅動機械結構水分離注射器（水分離模塊），本文將這兩種電機稱為乳化電機及水分離電機。根據系統要求，乳化裝置的轉速不低于25 000 r/min。由于我們機械結構的放大比為 3∶1，所以選用額定轉速為 9 000 r/min、額定電壓為DC12V的直流無刷電機，其型號為GMP36-DMKE4266。根據系統要求，水分離電機的推力不低于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刷電機，其型號為GMP36-DMKE3650。額定轉速為 5 300 r/min，減速比 1∶14，最高輸出轉速為378 r/min。電機詳細參數如表1所示。

表1 電機詳細參數

2.2 I/V轉換電路模塊設計

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

其中I/V轉換電路如圖5所示，作用是將接收器電流信號轉換成電壓信號，光電池產生的光電流典型值為163 nA，一級放大倍數為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算放大電路，電路圖如圖6所示，反饋電阻為兩個最大100的可調電阻，放大倍數如下式所示：

圖5 I/V轉換電路

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，因此通過調節反饋電阻與，將放大倍數調至約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定性。

2.3 電源管理模塊設計

乳化直流電機與水分離直流電機的額定電壓均為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；并為主控模塊設計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到1.5 A，完全滿足主控模塊的要求；以及為測量模塊設計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到±100 mA，并具備持續電路保護。

圖7 12/5V降壓電路

圖8 12/±5V降壓電路

3 軟件設計

3.1 系統軟件總體設計

該水分離指數測量系統主要通過鍵盤按鍵實現人機交互，對測量模式、操作流程、緊急復位等進行控制以符合測量標準要求。測量模式主要包括A測量模式、B測量模式以及潔凈度（C）測量模式。A測量模式和B測量模式整體流程相同，但是A測量模式主要用于1號噴氣燃料、2號噴氣燃料、3號噴氣燃料以及高閃點噴氣燃料的水分離指數測量，B測量模式主要用于寬分餾噴氣燃料的水分離指數測量。因此，在水分離過程中所要求的時間也不同，A測量模式為 45 s，B測量模式為 25 s。潔凈度測量模式用于測量噴氣燃料的潔凈度。整個系統的程序流程圖如圖9所示。

圖9 系統軟件流程圖

3.2 基于PWM的電機驅動

乳化電機及水分離電機皆采用脈沖寬度調制波驅動，PWM驅動原理在于調節PWM占空比（即高電平占PWM周期的）的大小從而控制電機轉速。為確保水分離時間和乳化轉速的精準化，我們在水分離程序和乳化程序中均加入了PID閉環轉速控制算法[12-14]以確保水分離速度和乳化速度的穩定。PID控制算法如下式所示：

由于電機轉速需要一定時長達到穩定，為增強PID調速的穩定性，本軟件在控制程序中添加一個電機轉速穩定判斷。PID實際控制邏輯如圖10所示。

圖10 PID控制邏輯

水分離電機和乳化電機控制流程相同，僅在PID控制算法的參數和額定速度設置上有略微差異。具體參數配置如表2所示。

表2 不同模式下PID參數配置

3.3 數據處理

STC8芯片集成的是15路12位逐次逼近型模擬數字轉換器，速度可達80萬次/s，滿足系統電壓采樣需求。采樣過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、原始值轉換為電壓值、電壓值數據處理。由于噴氣燃料溶液內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。為了保證測量結果的穩定性，在數據測量模塊添加滑動窗口的濾波方法。具體做法如下：連續取N個采樣值作為一個數組 buffer，此處N取 50；首先計算得到buffer的平均值，刪除掉與平均值誤差最大的數據；然后將平均值插入進buffer，計算得到新buffer的平均值作為最后的測量值。

圖11 AD采樣步驟

4 系統調試與試驗

4.1 I/V轉換放大模塊數據采集功能測試

對I/V轉換放大模塊進行數據采集功能測試，采用直流穩壓電源GPS-2303C作為I/V轉換放大模塊的輸入。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，放大電路放大倍數設置為120，實驗結果如表3所示。該實驗證明了設計的I/V轉換放大電路輸出滿足STC8芯片AD采樣的電壓范圍，同時具有穩定的線性放大能力和極強的抗干擾能力。

表3 I/V轉換放大模塊功能測試

4.2 電機控制功能測試

由單片機向電機發送不同占空比的PWM波，實現不同電機轉速的指令。并根據電機集成的霍爾編碼器反饋的脈沖數計算當前電機的實際轉速。經程序處理，將當前實際轉速、總行程以及驅動時間經由LCD12864顯示器顯示，如圖12所示。當實時反饋轉速小于設定速度區間時，由PID控制程序增大PWM波占空比；當實時反饋轉速處于設定速度區間時，PWM波占空比不變；當實時反饋轉速大于設定速度區間時，由PID控制程序減小PWM波占空比。

圖12 電機速度功能測試

4.3 系統功能流程測試

噴氣燃料的水分離指數測定系統主要劃分為乳化、水分離、測量三大模塊。系統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、水分離以及測量四個功能流程。

圖13 系統功能流程測試

根據SH/T 0616—1995標準要求，乳化功能對于電機轉速有明確要求，水分離功能對于推進時間有明確要求。因此，本文對該系統進行5次重復實驗，其實驗結果如表4所示。

表4 系統功能流程測試

在五次實驗中，乳化轉速與水分離時間均在可接受范圍內，證明本文所設計的水分離指數測定系統測量在功能流程上符合石油化工標準SH/T 0616—1995。測量結果的準確性將在下節驗證。

4.4 水分離指數測定試驗

本文根據以上水分離指數測定系統設計，制備了一套水分離指數測定儀器如圖14所示。并使用該儀器進行水分離指數測定試驗。

圖14 水分離指數測定儀器

根據標準配制好水分離指數為99、89、80、72、65一共5組數據進行試驗，研制系統的每組實驗結果均為5次重復實驗的平均值，其實驗結果如表5所示。

表5 水分離指數測定實驗

在五組水分離指數實驗中，本系統的實測值均在可接受范圍之內，證明本系統符合國家標準GB 11129—89[15]以及石油化工標準SH/T 0616—1995[9]的要求。與國外儀器1140相比，本系統的實測值更接近理論值。并且五組實驗實測值的方差明顯小于1140，證明本系統的穩定性優于1140。

5 結束語

本文從紫外光譜噴氣燃料水分離指數的測定原理以及行業標準流程出發，設計實現了一種噴氣燃料水分離指數測定系統。首先對噴氣燃料與水的液體混合物進行乳化，然后結合PID算法實現水分離過程的精確控制，最后利用測量系統測定噴氣燃料的水分離指數。實驗證明，本文設計的基于紫外光譜的噴氣燃料水分離指數測定系統設計具有測量精度高、穩定性強、安全性高、抗干擾能力強、續航時間長等優點。該系統能夠滿足石油化工標準SH/T 0616—1995的各項標準，具有較強的優越性和良好的市場潛力。