探究PC104的某型航空發(fā)動機排氣溫度測試系統(tǒng)

摘 要： 為了解決某型航空發(fā)動機排氣溫度無法地面實時監(jiān)控的問題，研制了排氣溫度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用PC104嵌入式工業(yè)計算機作為其核心控制器，設(shè)計了排氣溫度檢測電路和冷端溫度補償電路，編寫了數(shù)據(jù)采集、處理和顯示程序。通過該測量系統(tǒng)，可以使地面保障人員在發(fā)動機試車過程中實時監(jiān)控發(fā)動機排氣溫度，確保其對于發(fā)動機工作狀況的正確判斷。

航空發(fā)動機排氣溫度是監(jiān)控發(fā)動機工作狀況的重要參數(shù)，如果排氣溫度超過規(guī)定值，就有可能損壞燃燒室、渦輪葉片和尾噴管等發(fā)動機部件。目前，某型航空發(fā)動機還沒有配備排氣溫度監(jiān)控裝置，監(jiān)控排氣溫度主要通過地面試車過程中觀察飛機座艙內(nèi)的排氣溫度表，這給地面保障人員的工作帶來諸多不便，無法有效可靠地保障發(fā)動機安全工作。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，計算機技術(shù)日漸成熟，已進入人類社會的各個領(lǐng)域并發(fā)揮著越來越重要的作用?；诖?，本文利用PC104嵌入式工業(yè)計算機研制了某型航空發(fā)動機排氣溫度測量系統(tǒng)，在地面試車過程中對發(fā)動機排氣溫度進行實時監(jiān)控。

1 研制方案

測試系統(tǒng)的技術(shù)方案如圖1所示，包括核心控制器、數(shù)據(jù)采集卡、供電電源、溫度測量電路和冷端補償電路幾個部分，由控制器、顯示屏、鍵盤、DOC電子盤、數(shù)據(jù)采集卡、溫度測量電路、溫度補償電路、被測對象、供電電源、飛機27 V照明插座順序連接而成。

測試系統(tǒng)采用PC104總線的嵌入式工業(yè)計算機作為其核心控制器，這種控制器由于體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全、工作溫度寬、功耗低、外部設(shè)備接口電路簡單、與其配套的用于工業(yè)控制的板卡較多和性價比高等優(yōu)點，近些年被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中。采用與PC104總線的嵌入式工業(yè)計算機相匹配的PM511PU數(shù)據(jù)采集卡。

選用EL顯示屏，其具有功耗低、速度快、體積小和接口簡單等特點。測試系統(tǒng)所需按鍵較少，所以選用簡單的開關(guān)式鍵盤。供電電源由發(fā)動機艙+27 V照明插座提供，利用DC-DC變換器將+27 V轉(zhuǎn)換為+12 V、-12 V、+5 V和+24 V向整個系統(tǒng)供電。DC-DC變換器特點是輸入電壓范圍寬、輸入和輸出隔離、輸出的電源穩(wěn)定性好、精度高。

利用溫度檢測電路檢測發(fā)動機排氣溫度接線盒輸出的信號，該信號是通過熱電偶測溫原理測得的與排氣溫度值對應(yīng)的毫伏電壓值。另外，利用集成溫度傳感器AD590測得冷端補償溫度。數(shù)據(jù)采集卡采集上述排氣溫度信號和冷端補償信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳遞給PC104核心控制器。在核心控制器中編寫數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示程序?qū)⑴艢鉁囟戎碉@示在EL屏上。

2 硬件電路

2.1 排氣溫度檢測電路

測試系統(tǒng)排氣溫度檢測電路如圖2所示，發(fā)動機利用8個相同的單元件熱電偶并聯(lián)連接，用來測量渦輪后的燃氣平均溫度。熱電偶用其安裝邊裝在排氣混合器周圍的孔內(nèi)，探頭穿過機匣伸入到渦輪后的燃氣流內(nèi)，測得燃氣平均溫度通過排氣溫度接線盒輸出。本系統(tǒng)利用鎳鉻-鎳鋁熱電偶溫度補償導線將排氣溫度接線盒與檢測電路相連。

在檢測電路中，被測信號首先經(jīng)過隔離傳感器，安裝隔離傳感器的目的是將被測信號與測量電路隔離，隔斷外界的共模電壓和串引進來的電磁干擾，保證檢測系統(tǒng)可靠工作，同時也保證了被測發(fā)動機的安全。另外，隔離傳感器還可以將被測信號成比例地進行線性轉(zhuǎn)化。

由于測試現(xiàn)場環(huán)境復雜，雖然經(jīng)過隔離仍有干擾引入，選用電阻R1為100 kΩ，電容C1為0.47 μF，截止頻率為f=1/（2πR1C1）的一階低通濾波器可以有效地濾除干擾。經(jīng)過濾波的溫度信號用OP07運算放大器進行放大，放大倍數(shù)為（R2+R3）/R2=1.5，之后送到數(shù)據(jù)采集卡1通道。

2.2 冷端溫度補償電路

測試系統(tǒng)冷端溫度補償電路如圖3所示，冷端溫度測量采用的是AD590集成溫度傳感器，該傳感器是電流輸出型溫度傳感器的典型產(chǎn)品，具有線性度好、靈敏度高、體積小、穩(wěn)定性好、輸出信號大且規(guī)范化等優(yōu)點。其利用電路產(chǎn)生一個與絕對溫度成正比的電流作為輸出，溫度系數(shù)為1 μA/K，在溫度為25 ℃時輸出298.2 μA電流。

AD590輸出電流與溫度關(guān)系式為I=1 μA/K×（273.2+t）K。冷端溫度測量的具體方法是：首先將AD590傳感器置于熱電偶測溫回路的冷端，冷端溫度的極限范圍在-55 ℃～80 ℃之間，而數(shù)據(jù)采集卡的采集范圍是-5 V～5 V，經(jīng)過計算分析AD590輸出端流過的電阻選擇為14 kΩ，當環(huán)境溫度為-55℃時，傳感器輸出電壓U0=1 μA/K×14 kΩ×（273.2-55）K=1.962 V，當環(huán)境溫度為80℃時，傳感器輸出電壓U0=1 μA/K×14 kΩ×（273.2+80）K=4.945 V。

由此可知，傳感器輸出電壓的范圍在1.962 V～4.945 V之間，該電壓信號經(jīng)過OP07運算放大器電壓跟隨后送入到數(shù)據(jù)采集卡0通道。

3 軟件設(shè)計

測試系統(tǒng)采用DOS系統(tǒng)作為其運行環(huán)境。DOS系統(tǒng)盡管程序界面簡單，但由于其穩(wěn)定性高、對計算機配置要求較低等優(yōu)點，仍然廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中。同時，在DOS系統(tǒng)下裝載UCDOS系統(tǒng)，使程序界面中能夠顯示漢字，便于人機交互。

另外，軟件系統(tǒng)以Turbo C 2.0作為開發(fā)環(huán)境。測試系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示幾個部分，核心控制器檢測程序流程如圖4所示，檢測程序首先對系統(tǒng)進行初始化，然后對各個檢測通道的數(shù)據(jù)進行采樣，接下來對采樣得到的數(shù)據(jù)進行運算、分析、處理，最后將結(jié)果顯示在EL屏上。

作者：李曉明，馮志書，徐剛

編輯：jq