基于飞行保障气体质量的测控系统设计

胡宗顺1黄之杰1辛思勇2

（1.空军勤务学院航空四站系徐州221000）（2.工程兵学院研一队徐州221000）

以飞行保障的气体质量要求为出发点，通过全面分析影响飞行保障气体质量的因素，建立飞行保障气体质量监测指标体系。然后，设计了一种用于气体压力、流量测定的单片机测控系统，该系统主要由压力传感器、流量传感器、模拟信号放大器、单片机及其扩展电路和微型空压机组成。与相关机械装置相配合，可完成飞行气体物性参数综合快速检测，且测试结果的准确性和重复性较好。

航空气体；测控系统；物性参数

Class NumberTP212.6

1 引言

建立飞行保障质量监测指标体系是一项比较困难的工作。一般来说，评估指标的范围越宽，数量越多，确立评估指标的重要顺序就越难，处理和建模过程就越复杂，歪曲系统本质特性的可能性就越大。因此，建立飞行保障质量监测指标体系必须遵循一定的原则，按一定的程序，在全面分析系统的基础上拟定指标草案，经广泛征求专家意见，反复交流信息，统计处理、综合归纳和权衡，最后得到科学的评估指标体系。

在确定研究的对象后，按照科学性、独立性、可行性、全面性等原则着手制定合理的评估指标体系。该指标体系应既能反映所要评估的飞行保障质量监测的客观实际，又是在简化基础上的一般抽象结果，建立的指标体系见表1。

2 检测系统设计

以氧、氮指标为例，某型装备氧气所需压力为10MPa，流量为280～300ml/min；氮气所需压力为13MPa，流量为280～310ml/min。

2.1 质量流量传感器

在以往的气体流量测量中，一般采用传统的体积（容积）流量测量与密度测试相结合的方式，通过繁琐的计算而间接求得质量。由于体积与密度的测试受许多因素的影响（如温度、压力、粘度、导电性、流态、直管段等）而产生明显误差［1］。

表1 飞行保障产品质量监测指标体系

它主要由两部分即主管路和旁管路测量传感器系统组成。这样设置是为了扩大量程，在较宽的流量、压力和温度变化范围内保持两个管路的流量系数比值恒定，可以维持小孔板和大孔板的流量比率不变，通过主管道的流量可由仪表的指示值乘以一个常数获得，质量流量计的输出是流过大孔板的质量流量的线性函数［2］。

旁管路质量流量传感器原理是基于气体的对流传热特性。当加热器线圈均匀地加热气流时，在上游和下游的敏感线圈之间会产生一个温度差，这个温度差值正比于被测介质的质量流量，温度差信号的输出是依靠一个电桥输出一个电压信号。该电压信号被加到微分放大器的输入端，而放大器在其输出端产生一个与介质质量流量成正比的直流电压信号。

2.2 压力传感器

电容式传感器的转换原理可用一个平行平板电容来说明，若忽略边缘效应，平行平板电容的电容值可表示为

ε为板极间介质的介电常数，s为两极板的覆盖面积，d为极板间距。

电容式压力传感器通常由由一个固定极板和一个可动极板（同时也是弹性元件）构成可变电容，当压力作用于可动极板时。可动极板产生变形，电容两极板的间距发生变化，电容量发生改变，检测电容的变化量即可得到被测压力的大小。

电容式传感器具有结构简单、动态响应特性好、抗过载能力大、适应性强等优点，但也存在着一些问题：如输出特性的非线性、寄生电容和分布电容对敏感度和测量精度的影响，以及与传感器联接的电路比较复杂等限制了其使用的广泛性［3～4］。

3 数据采集模块设计

3.1 系统设计

系统工作过程如下：按下相应测试功能键后，在80C196KC单片机的控制下，发出控制信号，通过继电器驱动电路控制供气单元工作，并且分别启动A/D转换器的各通道对模拟信号进行采样，采样结果暂存于缓冲区中。待A/D转换结束后，调用压力、流量计算子程序求得被测参数值，所测参数通过LED显示和微型打印机打印输出，同时，在单片机控制下各机构复位，一次测试过程完成［5～7］。

单片机测控系统由80C196KC单片机、模拟信号处理电路、继电器驱动电路、微型打印机接口电路和系统电源等部分组成，各部分之间的逻辑关系如图2所示。系统电源用于向各硬件电路提供所需的直流稳压电源；模拟电路负责对传感器输出微弱电信号的放大、滤波等处理，以达到A/D转换器的要求［8］；单片机系统负责数据采集与处理，并通过打印机接口控制打印输出，以及通过驱动电路控制继电器工作，实现微型气泵、电机的起停和换向阀的换向。

3.2 信号转换模块设计

将输出电流信号转化为电压的简便方法，是用一个运算放大器作为电流—电压转换器。

运算放大器如图3所示，由图可见，运算放大器由三个运放构成，并分为二级：第一级是两个相同放大器A1、A2，因此输入阻抗高；第二级是普通的差动放大器，把双端输入变为对地的单端输出［9］。

则放大器增益

输出电压为

为了提高共模抑制比和降低温漂影响，放大器采用对称结构，即

通过调节外接电阻RG大小能很方便改变运算放大器的增益［10］。

3.3 滤波电路的设计

在系统中，基波为两百赫兹的矩形波，对其进行频谱分析后发现其在1K以上也有能量分布［11］。为消除信号中的高频噪声，采用有源二阶低通滤波器。为了保证能量的完整性，特选取10K为其截止频率，放大倍数KF=2，ξ取值为。电路及其中各元件取值如图4所示。

3.4 A/D转换模块设计

A/D转换电路采用TI公司生产的TLC2543C作为模数转换芯片，12位采样精度，最高采样频率为10K，TLC2543C为开关电容逐次模数转换器，它有11个模拟输入通道，采样—保持是自动的。在转换结束时，“结束转换（EOC）”输出端变高以指示转换的完成。将此引脚与DSP的外部中断引脚相连，ADC转换完成以后及时通知DSP读取数据。该器件中的转换器结合外部输入的差分高阻抗的基准电压，具有简化比率转换，刻度以及模拟电路与逻辑电路和噪声源隔离的特点。开关电容的设计可以使在整个温度范围内有较小的转换误差［12］。

根据信号处理的原理首先通过A/D转换通道1对气体压力、流量信号变化采集一系列数据，经CPU数据处理后通过D/A转换子程序输出一个比类正弦曲线谷值略小的电压，输入放大电路与原信号作差，CPU再次启动A/D转换通道2，继续采集数据，得到压力、流量曲线变化的实际值，其程序流程图如图5所示。

4 测控系统模拟测试结果及分析

在实验基地，利用构建的系统对不同室温下的氧气和氮气参数进行了测试，并与理论值比较如下。

表2 飞行氧气、氮气测试结果分析

从表2中的测试结果可看出，利用该测控系统测得的结果与文献［6］中理论参考值接近程度很好。为了评价测控系统测试结果重复性的好坏，引人数理统计中的变异系数来表征，利用Matlab对表2中各测试结果进行计算并列人其中。从表2中可看出，压力测试结果的变异系数分别为3.12%和2.23%；流量测试结果的变异系数分别为1.24%和2.49%；其值都小于误差值，这说明测试结果的重复性较好，因此，构建单片机测控系统能够满足实验室和一般工业的测量要求。

5 结语

对于飞行保障来说，产品质量是确保安全的关键，这就要求数据采集的精确性和可靠性。本文根据微弱信号检测理论设计了气体压力及流速的数据采集模块，该模块由传感器、控制放大器、A/D转换器、单片机及外设等部分组成，能有效提高信号的准确性，从而大大保证了气体检测的精度。实例分析表明，该模型安全可靠，为飞行保障产品质量监测提供了一种新的手段，对保证飞行保障质量，提高连续作战能力具有重要现实意义。

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Design of Measurement and Control System Based on Aerial Support of Gas Mass

HU Zongshun1HUANG Zhijie1XIN Siyong2
（1.Department of Aviation Four Stations，Air Force Logistics College，Xuzhou221000）（2.No.1 Graduate Brigade，Academy of Engineer Corps，Xuzhou221000）

Aiming at the requirement of aerial support of gas mass，the assessment index system of aerial support of gas mass is constructed based on analyzing the influential factors of aerial support of gas mass.Then a SCM system of measurement and control is designed implying to gas pressure and flow，combined with pressure transducer，flow transducer，analog signal amplifier，SCM，extended circuit and miniature air compressor.By coordinating of the mechanical device，it can detect the physical parameter of aerial gas，which is accurate and repeatable.

aerial gas，measurement and control system，physical parameter

分类号TP212.6DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.031

2017年1月3日，

2017年2月23日

胡宗顺，男，硕士研究生，研究方向：航空四站保障技术与信息化。黄之杰，男，副教授，硕士生导师，研究方向：航空四站保障技术与信息化。