机载氧气浓缩器性能测试系统设计及校准技术研究

徐正红， 杜 珍

（1.安徽省长江计量所，安徽 合 肥 230088；2.安徽省东风机电科技股份有限公司，安徽 合 肥 230022）

分子筛机载制氧技术是飞机氧气系统发展的最新应用技术，它使飞机无须携带氧气，在空中自主产氧，彻底改变了飞机续航时间受机载氧源限制的局面［1－2］。

该技术的核心是氧气浓缩器，其工作原理是基于变压吸附的原理，利用沸石分子筛对于氮气的优先吸附，实现氧氮分离，产生富氧气体［2］。其性能受许多工作参数和条件影响，为此，需设计可模拟飞行工作参数的性能测试系统来测试氧气浓缩器性能。

影响氧气浓缩器性能的主要参数包括气源入口参数、试验高度和输出参数［3］。氧气浓缩器性能测试系统应具有如下基本功能：模拟供气压力、温度、湿度、流量；模拟飞行高度的大气压力和温度；模拟座舱高度以及产品性能参数的检测等［4－6］。

1 性能测试系统

1.1 结构原理

性能测试系统由气源系统、高低温低气压试验箱、真空系统组成［7－8］，如图1所示。

气源系统提供试验参数可调节的洁净气源，由空压机、储气罐、冷却式干燥机、过滤器、吸附式干燥机、制冷机组、加热器、调压阀等组成。空压机产生高压气体后输入储气罐中为系统供气，冷却式干燥机、过滤器、吸附式干燥机除湿、除油；供气温度通过三通调节阀调节流经制冷机组和加热器的气体分配比例进行调节。

高低温低气压试验箱模拟氧气浓缩器工作环境，即飞行高度大气压力和温度。

真空系统模拟座舱高度和氧浓缩器的脱附压力，由真空机组、真空罐、模拟座舱、气动薄膜调节阀等组成。真空机组抽真空罐内的气体，使罐内压力为氧浓缩器的排气压力，即飞行高度的环境压力。模拟座舱与真空罐相通，座舱高度的控制通过控制模拟座舱向真空罐的排气来实现。

测控系统由传感器、回路控制器、调节阀门、计算机等组成，可实现各种参数测量与控制。为提高系统可靠性，系统主要参数控制由单回路控制器实现。

1.2 测控系统

测控系统包括数据采集、数据控制和数据处理3个部分，由工控机、测控仪表、传感器、模拟量输入输出模块、数字输入输出模块及调节阀等组成［9－10］。

（1）数据采集系统。供气压力、流量、温湿度分别由压力传感器、质量流量计、温湿度变送器测量；试验高度大气压力、温度由高低温低气压试验箱提供；脱附压力由真空计测量转换成高度；座舱压力由压力控制器测量。信号传送到工控机，同时输出送到仪表显示。

采用2个数字量输入／输出模块的数字量输入功能来采集数字量信号。

（2）控制系统。供气温度由三通调节阀调节，当供气温度高于气源温度时，三通调节阀的热路全开，供气气流全部流过加热器，加热功率采用PID调节器控制；当供气温度低于气源温度时，加热电路断开，制冷机运行。

供气压力采用压力控制器对阀后压力进行PI控制方式调节；脱附压力用气动薄膜调节阀调节；模拟座舱压力由压力控制器通过阀前压力控制。

高低温低气压试验箱内温度、压力由高低温低气压试验箱自行调节。

输出产品气流量通过手动针阀调节。

利用数字量输入／输出模块的数字量输出功能完成数字量信号的输出，实现空压机、真空泵、制冷机、加热器、吸附式干燥器开关控制。

2 性能测试系统校准

对于性能测试系统而言，只有测试参数准确，其测试结果对产品质量控制才有意义。因此，研究性能测试系统综合在线校准技术同样重要。校准装置分成气源系统校准模块、高低温低气压试验舱校准模块、真空系统校准模块，如图2所示。

图2 氧气浓缩器性能测试系统校准装置原理框图

2.1 气源系统校准模块

选择高精度气体流量、温度、湿度、压力传感器，由传感器将各参数转换为电信号，接入数据采集模块，转换为数字信号输入计算机。

温湿度测量采用奥地利E＋E公司EE99温湿度变送器，压力传感器采用美国GE公司PDCR5000压力传感器，流量测试采用美国Alicat M气体质量流量计。

电测单元采用KEITHLEY2700数据采集单元，数据采集单元通过扩展卡与传感器相连，传感器输出信号由数字多用表测出后通过RS232口与计算机实现数据传输。

2.2 高低温低气压试验舱校准模块

高低温低气压试验舱的校准须在保证试验舱内密封效果的前提下完成，压力参数校准通过设置专用校准接口、安装压力传感器方式实现校准。温度参数校准须采用无线测试技术，即设计研制专用的无线测量模块，将电源、电路、存储介质及敏感原件采用耐热材料封装，实现舱内的温度无线测量，并将数据存储在模块自身的存储器内，在校准工作完成后，再将模块存储器中的数据读入计算机。

2.3 真空系统校准模块

在真空系统中入口、出口分别安装一个真空／绝压变送器，当模拟座舱中注入的气体和抽走的气体达到稳定动平衡时，测量压力参数。

3 无线温度校准装置设计

无线校准系统主要包括数据采集系统、隔热装置2个部分，数据采集系统被封装在隔热装置中，隔热装置为数据采集系统提供一个温度恒定的环境条件，保证数据采集系统在试验舱内的高低温环境条件下能正常工作。

数据采集系统包括敏感元件及数据采集处理系统，具备信号采集、数据存储和通讯等功能。数据采集存储芯片将传感器信号采集数据存储起来，采用TI MSC1210Y5单片机，数字电路包括通信接口，测试数据通过上位机软件导出，如图3所示。

图3 TI MSC1210Y5单片机结构及引脚图

隔热装置从外到内分为外壳、真空隔热层、蓄热层，如图4所示。

图4 隔热装置结构示意图

外部的壳体材料能够耐温，支撑整个隔热箱、内部保温材料及采集器；真空隔热层采用真空多层屏蔽结构，抽真空至10－3Pa，内置由导热系数小的保温材料制成的多层防辐射隔热屏，有效阻止热交换；蓄热层利用蓄热介质的相变吸热储能，当温度达到介质融化温度时，介质吸收大量热量，并保持温度恒定。

4 结束语

氧气浓缩器性能测试系统满足分子筛氧气浓缩器性能测试需要，可提供产品测试所需的各种参数，模拟实际飞行状态的工作环境和状态。在线校准装置可对氧气浓缩器性能测试系统进行在线校准，保证试验参数准确可靠。

［1］ 孙 兵，肖华军.分子筛氧器浓缩器产氧性能试验分析［J］.北京航空航天大学学报：自然科学版，2003，29（1）：46－49.

［2］ 杨小英.分子筛机载制氧技术的研究［J］.航空与航天，2004（3）：161－169.

［3］ 肖华军，袁修干.飞行环境综合因素对飞机氧气装备供氧参数的影响［J］.北京航空航天大学学报：自然科学版，1997，22（5）：586－589.

［4］ 邹念东.YTQ－7氧气调节器性能参数调整分析与实验验证［J］.航空科学技术，2011（5）：49－52.

［5］ 万玉琴.航空氧气调节器结构参数设计计算［J］.北京航空航天大学学报：自然科学版，2011，37（3）：351－354.

［6］ GJB 4865－2003，飞机机载分子筛制氧系统通用规范［S］.

［7］ Miller G W，Fenner J E.Engineering qualification testing of the F15Emolecular sieve oxygen generating system（MSOGS）［C］／／Proceedings of SAFE 34th Annual Symposium，Reno，Nevada，1996：364.

［8］ Lover N P，Ashdown R.Development of the OBOGS and BRAG valve for the F22life support system［C］／／Proceedings of SAFE the 36th Annual Symposium，1998：62－71.

［9］ 肖忠祥，孟开元，尚海燕.数据采集原理［M］.西安：西北工业大学出版社，2001：90－150.

［10］ 徐科军，陈荣保，张崇巍.自动检测和仪表中的共性技术［M］.北京：清华大学出版社，2000：85－125.