針對(duì)飛機(jī)燃油箱惰性化性能的實(shí)驗(yàn)研究，本發(fā)明涉及一種機(jī)載油箱惰性化綜合性能試驗(yàn)系統(tǒng)，屬于工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
飛機(jī)油箱的防火防爆能力，直接關(guān)系到飛機(jī)的生存力和易損性，也關(guān)系到飛機(jī)的利用率、成本以及人員安全，因此，提高飛機(jī)油箱的防火防爆能力，使飛機(jī)油箱始終處于安全狀態(tài)之中是十分必要的。飛機(jī)燃油箱惰性化技術(shù)指的是通過技術(shù)措施，使飛機(jī)燃油箱上部氣相空間的含氧量在整個(gè)飛行過程中始終保持低于支持燃油燃燒所需要的最低含氧量水平，以保障飛機(jī)燃油箱的安全性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
惰性化氣體或介質(zhì)主要有液氮、哈龍1301和富氮?dú)怏w(NEA)三大類。液氮和哈龍1301雖然有惰化流程簡單、技術(shù)成熟度高和易于實(shí)現(xiàn)全航程按所需流量供給等優(yōu)點(diǎn)，但由于后勤保障成本高及環(huán)保性差，故不是未來發(fā)展的方向；而利用機(jī)載制氮系統(tǒng)(OBIGGS)產(chǎn)生富氮?dú)怏w來惰化燃油箱，則顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿ΑC(jī)載制氮可采用分子篩或膜分離2種方法來實(shí)現(xiàn)，由于膜分離法所用設(shè)備的質(zhì)量、體積更小，發(fā)動(dòng)機(jī)引氣量也小，因此已有取代分子篩的趨勢(shì)，本試驗(yàn)系統(tǒng)采用的是機(jī)載膜分離裝置產(chǎn)生惰化氣體。機(jī)載油箱惰性化綜合性能試驗(yàn)臺(tái)用于對(duì)飛機(jī)燃油箱的惰性化防護(hù)性能進(jìn)行地面模擬實(shí)驗(yàn)。該試驗(yàn)臺(tái)可對(duì)機(jī)載油箱惰性化實(shí)驗(yàn)的燃油/洗滌氣流量、壓力、燃油耗油速率以及制氮膜單元的進(jìn)氣壓力、流量等參數(shù)進(jìn)行控制，用于檢測(cè)各種飛行、進(jìn)氣、壓力等條件下機(jī)載燃油洗滌系統(tǒng)的惰性化防護(hù)性能，為機(jī)載惰化技術(shù)的發(fā)展提供一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。本試驗(yàn)系統(tǒng)是一套全自動(dòng)化系統(tǒng)，能通過計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)各部分的工況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，并且能實(shí)時(shí)記錄并存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)所需要的各個(gè)數(shù)據(jù)。本發(fā)明的目的在于提供一種機(jī)載油箱惰性化綜合性能試驗(yàn)臺(tái)，同時(shí)還可以為環(huán)境模擬類實(shí)驗(yàn)提供平臺(tái)，系統(tǒng)的管路布局復(fù)雜，但其操作方便，可靠性好，實(shí)用性強(qiáng)。附圖說明圖1為氣源系統(tǒng)原理示意圖；圖2為配氣系統(tǒng)原理示意圖；圖3為真空系統(tǒng)原理示意圖；圖4為模擬油箱系統(tǒng)原理示意圖；圖5為機(jī)載油箱惰化試驗(yàn)系統(tǒng)原理簡圖。具體實(shí)施方式如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，本機(jī)載油箱惰性化綜合性能試驗(yàn)系統(tǒng)包括氣源處理系統(tǒng)I、配氣系統(tǒng)II、真空系統(tǒng)III、模擬油箱系統(tǒng)IV以及測(cè)控系統(tǒng)。氣源處理系統(tǒng)I主要用于對(duì)制氮膜單元進(jìn)口氣源進(jìn)行調(diào)壓、冷卻、過濾、凈化等預(yù)處理，并能對(duì)進(jìn)口氣體的流量、壓力、濕度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，為制氮膜單元提供給定壓力、流量和溫度的干燥潔凈高壓空氣，同時(shí)經(jīng)過氣源系統(tǒng)處理過的壓縮空氣還可用于配氣系統(tǒng)的氣源和飽和油箱的飽和洗滌氣。配氣系統(tǒng)II主要用于供給洗滌、沖洗系統(tǒng)所需濃度、流量、壓力的惰性洗滌氣體。其中氮?dú)庠词怯蓹C(jī)載膜空氣分離裝置提供的，其工作原理是：壓縮空氣經(jīng)調(diào)壓、冷卻、凈化等處理后，流過可透膜管路，利用氧氣和氮?dú)庠谀ぶ械娜芙舛群蛿U(kuò)散系數(shù)的差別，使氧氣和氮?dú)庠谀ぶ械臐B透率有差異，在膜兩側(cè)壓力差作用下，滲透率相對(duì)較大的氧氣優(yōu)先透過膜在膜外富集，從而達(dá)到氧氣和氮?dú)獾姆蛛x，富氮?dú)怏w通過管道進(jìn)入油箱使油箱惰性化。真空系統(tǒng)III具有兩個(gè)飛行高度模擬真空罐，一個(gè)連接制氮膜單元，用于模擬富氧氣體的出口環(huán)境壓力，一個(gè)連接洗滌試驗(yàn)油箱出口，用于模擬試驗(yàn)油箱的出口環(huán)境壓力。模擬油箱系統(tǒng)IV包括燃油循環(huán)單元、燃油惰性化洗滌單元以及燃油飽和洗滌單元。燃油循環(huán)單元用于對(duì)模擬油箱進(jìn)行燃油輸送和燃油回收，同時(shí)進(jìn)行模擬油箱耗油量的調(diào)節(jié)；燃油惰性化洗滌單元主要用于對(duì)試驗(yàn)油箱進(jìn)行惰化洗滌，一方面通過對(duì)惰化氣體的壓力和流量、實(shí)驗(yàn)燃油的壓力和流量、引射裝置噴嘴直徑、油箱載油量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和調(diào)節(jié)，檢測(cè)各環(huán)境因素對(duì)模擬油箱洗滌效果的影響規(guī)律，另一方面采用不同的惰化方法(燃油洗滌、油箱沖洗)，通過真空系統(tǒng)模擬不同飛行剖面，檢測(cè)采用不同惰化方法，油箱氣相空間氧濃度隨環(huán)境壓力的變化情況；燃油飽和洗滌單元用于對(duì)進(jìn)入洗滌實(shí)驗(yàn)油箱的燃油進(jìn)行飽和處理，從而確保實(shí)驗(yàn)的燃油均是未惰性化的燃油。測(cè)控系統(tǒng)包括上位管理與監(jiān)控級(jí)、下位控制級(jí)、檢測(cè)與執(zhí)行級(jí)，用于對(duì)洗滌試驗(yàn)中溫度、流量、壓力等性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量與控制。上位管理監(jiān)控級(jí)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心，協(xié)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)控制的各類儀表，完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理及顯示，提供人機(jī)交互接口，完成實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置及試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，生成各種曲線及報(bào)警報(bào)表窗口，實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)運(yùn)行狀況，執(zhí)行現(xiàn)有設(shè)備報(bào)警與安全保護(hù)；下位控制級(jí)包括諸如10塊智能數(shù)字PID調(diào)節(jié)儀表，它既具有自動(dòng)控制功能，又具有手動(dòng)控制功能，同時(shí)還具有與計(jì)算機(jī)的通訊功能，可通過輸出諸如4～20mA信號(hào)來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作達(dá)到對(duì)壓力、流量、液位等參數(shù)的控制作用；檢測(cè)與執(zhí)行級(jí)是指現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)測(cè)量單元與設(shè)備執(zhí)行單元，它包括傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)的測(cè)量和氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥等設(shè)備的執(zhí)行。本系統(tǒng)的測(cè)量任務(wù)包括兩個(gè)方面：其一要完成控制過程中各被控參數(shù)的測(cè)量；其二要對(duì)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。為了滿足系統(tǒng)對(duì)溫度、壓力、流量等測(cè)量參數(shù)的精度要求。根據(jù)一個(gè)具體的實(shí)施例，本發(fā)明的試驗(yàn)系統(tǒng)選用了16位8通道的高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊，即ADAM-4000系列數(shù)據(jù)采集模塊，可以采集電壓電流等模擬量輸入信號(hào)。該模塊可將現(xiàn)場(chǎng)采集到的溫度、壓力、流量等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過RS485接口傳送到工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。針對(duì)機(jī)載油箱惰性化試驗(yàn)系統(tǒng)的具體要求，在一個(gè)具體實(shí)施例中，本發(fā)明的系統(tǒng)采用了小型的集散控制方法，其中，上位機(jī)采用研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，下位機(jī)控制級(jí)由10塊日本導(dǎo)電公司生產(chǎn)的智能PID導(dǎo)電儀表組成，用來完成不同的現(xiàn)場(chǎng)控制任務(wù)和顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中涉及到壓力控制、流量控制、溫度控制、真空度控制等，其具體的控制策略包括：(1)壓力控制：壓力的控制通過調(diào)節(jié)氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥來實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)電儀表SRS13將壓力變送器傳送過來的氣源壓力、洗滌氣壓力、真空罐壓力等測(cè)量信號(hào)與設(shè)定值相比較，實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制，根據(jù)智能儀表輸出的電流信號(hào)來調(diào)節(jié)氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的開度來實(shí)現(xiàn)壓力的控制。(2)流量控制：流量的控制通過流量調(diào)節(jié)儀表來實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)電儀表SRS13將流量計(jì)測(cè)量的流量信號(hào)與其設(shè)定值相比較，實(shí)現(xiàn)PID控制，根據(jù)智能儀表輸出的電流信號(hào)來調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥控制閥門的開度，從而達(dá)到流量調(diào)節(jié)的目的。(3)溫度控制：溫度的控制通過加熱機(jī)和制冷機(jī)來實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)電儀表SRS13將溫度變送器傳送過來的溫度信號(hào)與設(shè)定值相比較，實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)控制，如果設(shè)定溫度高于氣體進(jìn)口溫度，則加熱器工作，加熱器功率由單回路調(diào)節(jié)器控制固態(tài)繼電器進(jìn)行調(diào)節(jié)。反之，如果設(shè)定溫度低于氣體進(jìn)口溫度，則制冷機(jī)組工作，制冷機(jī)組的額定功率大于所要求的最大制冷量，制冷機(jī)組不具有調(diào)節(jié)功能，氣體溫度通過流量分配調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)冷熱路流量進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。(4)真空度控制：本套真空系統(tǒng)即具有進(jìn)氣流量小，變化范圍大(101.3-19.3kpa)的特點(diǎn)，且在高度模擬試驗(yàn)中，壓力變化迅速，導(dǎo)致誤差大，通用的PID控制方法很難達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，為了改善調(diào)節(jié)效果，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用專家級(jí)PID控制方法。其工作原理是大偏差范圍內(nèi)采用知識(shí)庫內(nèi)的控制量控制節(jié)流閥的開度進(jìn)行控制，小偏差范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變成為PID控制調(diào)節(jié)閥來對(duì)真空度進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。在一個(gè)具體的實(shí)施例中，上位機(jī)測(cè)控軟件選用北京亞控科技發(fā)展有限公司開發(fā)的組態(tài)王6.53作為系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，它可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、曲線擬合、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表與報(bào)警等功能。本系統(tǒng)中的主要畫面包括試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖、燃油洗滌試驗(yàn)數(shù)字顯示界面、手動(dòng)調(diào)節(jié)界面、報(bào)表窗口、報(bào)警窗口、歷史趨勢(shì)曲線等，系統(tǒng)操作簡單，開發(fā)周期短，人機(jī)界面友好，可靠性好。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，氣源系統(tǒng)I包括空壓機(jī)1、儲(chǔ)氣罐2、干燥機(jī)3、壓力控制器4(a)、流量控制器5(a)、溫度傳感器6、調(diào)節(jié)閥7、加熱機(jī)8和制冷機(jī)9。來自空壓機(jī)1的高壓氣體通入儲(chǔ)氣罐2，以存儲(chǔ)一定量的壓縮空氣，同時(shí)確保供氣平穩(wěn)，減少壓力波動(dòng)；從儲(chǔ)氣罐2出來的空氣經(jīng)過干燥機(jī)3除濕后，再經(jīng)過過濾，得到干燥潔凈的高壓空氣，該氣體通過壓力控制器4(a)調(diào)節(jié)壓力后進(jìn)入流量控制設(shè)備5(a)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)(由于壓力和流量同時(shí)調(diào)節(jié)容易造成較大的耦合效應(yīng)，故兩個(gè)調(diào)節(jié)不同時(shí)進(jìn)行，且先由壓力控制器將進(jìn)入流量控制器前的空氣壓力調(diào)節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)，方便流量的測(cè)量，因而流量控制器5(a)置于壓力控制器4(a)之后)，隨后氣體進(jìn)入溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)(包括并聯(lián)的加熱機(jī)8和制冷機(jī)9)，在溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)端口處置有溫度傳感器6進(jìn)行溫度檢測(cè)，通過流量分配調(diào)節(jié)閥7分配冷熱路流量進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。經(jīng)氣源系統(tǒng)I處理過的空氣主要用于制氮膜裝置17(圖3)進(jìn)口氣源或配氣系統(tǒng)II的空氣源，另外還可用于飽和油箱20的飽和處理。如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的配氣系統(tǒng)II包括儲(chǔ)氮罐10、壓縮空氣源、壓力控制器組4，定徑孔11、流量控制器5(b)、混合閥12以及質(zhì)譜儀13，從儲(chǔ)氮罐出10來的氮?dú)饨?jīng)壓力控制器4(b)調(diào)壓后與氣源系統(tǒng)中經(jīng)壓力控制器4(c)出來的壓縮空氣分別流經(jīng)定孔徑11(a)和11(b)，通過混合閥12配比不同流量的氮?dú)馀c壓縮空氣，從而達(dá)到調(diào)節(jié)氮?dú)鉂舛鹊哪康?。如圖3所示，真空系統(tǒng)III包括真空泵14、調(diào)節(jié)閥組15、真空罐組16、制氮膜裝置17及模擬油箱18。啟動(dòng)真空泵14，制氮膜裝置17出口富氧氣體通入真空罐16(a)，用來模擬制氮膜裝置17的出口環(huán)境壓力，通過調(diào)節(jié)閥15(a)和15(b)分別調(diào)節(jié)兩真空罐內(nèi)壓力達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，提供穩(wěn)壓環(huán)境，模擬油箱18和真空罐16(b)之間的調(diào)節(jié)閥15(c)配合模擬油箱內(nèi)的壓力傳感器來調(diào)節(jié)模擬油箱內(nèi)的飛行高度、飛行爬升速率和下降速率。如圖4所示為模擬油箱系統(tǒng)IV，其中，首先通過燃油泵21(a)和氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥15(e)將儲(chǔ)油罐中燃油輸送到飽和油箱20，當(dāng)飽和油箱液位達(dá)到一定值時(shí)，啟動(dòng)燃油泵21(b)和流量控制器5(c)，將飽和油箱20的燃油輸送到模擬油箱18，待模擬油箱液位上升到一定值時(shí)，打開燃油泵21(c)和氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥15(d)，將模擬油箱18的燃油送回儲(chǔ)油罐19；當(dāng)整個(gè)燃油循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定后，啟動(dòng)飽和泵21(d)和流量控制器5(d)將飽和油箱20中燃油引入飽和引射油回路中，與從氣源系統(tǒng)I過來的壓縮空氣在飽和油箱20底部的洗滌引射器22(a)中混合，通過氣體的傳質(zhì)作用將燃油中氧置換出來，直到油箱中燃油達(dá)到空氣飽和狀態(tài)；啟動(dòng)洗滌泵21(e)和流量控制器5(e)，將模擬油箱18中燃油引入洗滌引射油回路中，與從膜分離裝置17/配氣系統(tǒng)II管路過來的惰性氣體通過模擬油箱18底部的洗滌引射器22(b)進(jìn)行混合，從而將燃油中氧氣置換出來，也可將惰性氣體通入到油箱氣相空間進(jìn)行油箱沖洗，達(dá)到對(duì)燃油箱的惰化目的。如圖5所示為機(jī)載油箱惰化試驗(yàn)系統(tǒng)原理簡圖，是將上述4幅圖進(jìn)行連接而成的，經(jīng)氣源系統(tǒng)I處理過的空氣用作制氮膜裝置的入口氣源或配氣系統(tǒng)II的空氣源，同時(shí)也可用于模擬油箱系統(tǒng)IV中飽和油箱20的洗滌空氣源，制氮膜裝置17的出口產(chǎn)品氣體富氮?dú)怏w通入到模擬油箱系統(tǒng)IV中模擬油箱燃油和油箱氣相空間進(jìn)行燃油洗滌和油箱沖洗，通過真空系統(tǒng)III來模擬制氮膜裝置和模擬油箱的出口環(huán)境壓力。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括：提供一個(gè)開放性高、功能性強(qiáng)的科研型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，涉及自動(dòng)控制、系統(tǒng)監(jiān)控、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信、氣動(dòng)技術(shù)等方面的知識(shí)，該試驗(yàn)系統(tǒng)可以用于檢測(cè)各種飛行、進(jìn)氣、壓力等條件下機(jī)載燃油洗滌系統(tǒng)的惰性化防護(hù)性能，也可研究機(jī)載膜飛離裝置的制氮性能隨環(huán)境因素的影響規(guī)律，系統(tǒng)按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，具有程控和后備手動(dòng)控制功能，操作簡單，可靠性高。軟件部分采用了豐富、生動(dòng)的多媒體畫面，具有集圖像、動(dòng)畫于一體的工程畫面，可以通過報(bào)表、報(bào)警、曲線等多種形式，為工作人員及時(shí)地反映系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)、品質(zhì)、異常報(bào)警等有關(guān)信息，具有自動(dòng)測(cè)試、文件管理、圖表打印、報(bào)警處理、故障診斷等功能。本試驗(yàn)系統(tǒng)采用工控機(jī)與PID導(dǎo)電調(diào)節(jié)儀表合用的控制系統(tǒng)，合理的分擔(dān)了上位監(jiān)控以及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和控制的任務(wù)，充分發(fā)揮了不同設(shè)備的各自優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)上下的有機(jī)結(jié)合變得更加容易。由于試驗(yàn)系統(tǒng)控制任務(wù)重、控制點(diǎn)多，因而采用了集散控制方法，以工控機(jī)為中心實(shí)施多點(diǎn)協(xié)調(diào)控制，軟件部分采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，進(jìn)行模塊化程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件模塊包括實(shí)時(shí)管理模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理模塊、實(shí)時(shí)控制模塊、系統(tǒng)參數(shù)處理模塊、界面管理模塊、試驗(yàn)流程顯示與監(jiān)控模塊、系統(tǒng)自診斷及測(cè)試模塊等，各模塊相互獨(dú)立，結(jié)構(gòu)清晰。