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