民用飞机空气管理系统台架试验用传感器的布局与选型考虑
2014-08-15段春李德庆
段春 李德庆
【摘 要】空气管理系统是为民用飞机舱内乘客提供生命保障和舒适环境的关键系统，有必要进行台架试验来对系统的各项功能和性能进行试验验证。台架试验中通过监测各个物理参数来验证系统对温度、压力、流量等参数的调节能力，诸多的物理参数需要通过不同类型的传感器来实现原始感测，以满足试验的测试需求，本文重点对空气管理系统台架试验用传感器的布局和选型进行了论述，具有实践指导意义。
【关键词】民用飞机；空气管理系统；台架试验；传感器
0 前言
空气管理系统是民用飞机重要的机载系统之一。以飞机在大气平流层内巡航为例，11000米高空的大气压力约为22.7kPa、温度约为-56.5℃，并且空气稀薄、臭氧浓度上升，人体若暴露于这样的环境，很快便会死亡。因此空气管理系统首先要为舱内乘客提供生命安全保障；其次，民用飞机用于商载用途必须面对市场同类产品的竞争，其空气管理系统必须为乘客提供舒适的舱内大气环境。对于150～200座级的民用飞机，空气管理系统的普遍方案均是从发动机引出空气，通过制冷、压力调节等系统，为飞机各用气区域供给合适的空气。
空气管理系统的台架试验必不可少，是验证系统功能和性能的重要手段之一。台架试验作为研发试验，可以在试验室试验中及时发现问题、解决问题，为系统优化设计提供依据；通过台架试验可以验证系统各项指标是否达到方案设计要求；台架试验的另一个作用是实现故障复现，可以将在机上地面试验或试飞试验中发现的问题在试验台上进行故障复现，以帮助查找问题的根源所在。
为保证台架试验获得准确可靠的数据，数据的测量、采集显得尤为重要；而传感器作为检测不同物理参数的源头，其作用不言而喻。传感器的布局和选型需遵循科学合理的原则，需要经过多方面充分的分析和考虑，以确保台架试验的有效性。
1 传感器的布局
空气管理系统包括气源系统、制冷系统、空气分配系统、压力调节系统等多个子系统，试验台架包括从气源系统到空气输送末端的所有管路和设备，不模拟飞机增压舱段，传感器分布在各管路设备上。
传感器的布局需遵循科学合理、具有可实现性的原则。台架试验是通过实测值和理论设计值对比，来实现系统的功能和性能验证。理想状态下，希望布置尽可能多的传感器来获得实测值；但实际情况是，空气管理系统设备作为机载设备，受限于飞机结构的空间和重量要求，在很多地方做了特殊设计，许多希望加装传感器的地方并不具备安装条件。在这样的情况下，传感器的布局原则就变成了在条件允许的情况下，尽量多布置。下面是以空气分配系统（图1）为例，在综合考虑测试需求和安装条件后，做出的传感器安装布局原理图。
在试验台架上选择传感器加装位置时，需考虑以下因素：
1）在冷热气流混合未充分的地方不易布置温度传感器，否则测试数据不具代表性；
2）在管路弯曲的地方不易布置压力传感器，否则会使测得值远离真实需要值；
3）在有活门的管路，流量传感器宜布置在活门上游，因为活门的作动会影响下游的流场；
4）布置流量传感器时需考虑流量计对前后直管段的要求；
5）在测试点布置传感器，应避免加装的传感器对测试目标造成影响，如无法避免，应将影响降至最低。
如果没有在正确的位置加装传感器，试验中诸多问题便会接踵而至，轻则导致测试数据失效，进而试验无效、影响试验进度；重则，由于错误的传感器布局造成设备原有的强度降低，在试验中发生事故造成重大损失。
2 传感器的选型
根据图1所示原理图，试验中需要测试的物理参数主要是温度、压力和流量，下面分别介绍对这几类传感器的选型考虑。
2.1 选型原则
鉴于传感器是加装到试验室内的试验台架上，而非飞机上，减少了对设备的空间和重量限制，所以传感器的重量和体积对选型影响较小；而精度、响应时间、量程和适用环境直接影响传感器是否满足测试需求，是需要着重考虑的因素；更重要的一点是所选择的传感器加装到试验台架上不能影响系统原有的构型，当影响无法避免时，应选择合适的类型使其对系统的影响降至最低。
2.2 温度传感器的选型
温度传感器主要选择铠装K型热电偶和铠装Pt100铂热电阻两种类型，铠装形式是为了满足强度需求。热电偶反应快、量程范围宽，主要用于气源系统；热电阻线性度好、精度高，主要用于余下场合。
2.3 压力传感器的选型
压力传感器的选型也分两类。一种体积小、频率响应高（达5kHz），适用于压力变化快、需要测试系统动态特性的场合；另一种体积大、长期稳定性好、精度高，适用于压力相对稳定、对安装空间无限制的场合。
2.4 流量传感器的选型
台架试验的流量测量需要的是质量流量值而非体积流量值。因为，在正常情况下，人体需要的新鲜空气量为每分钟0.7～0.9kg，而在0～30km的高度范围内，大气化学成分的比例基本稳定不变。所以在判断系统流量控制和分配是否满足要求时，需要测量的是空气的质量流量，而非体积流量。
目前市场上可以实现质量流量测量的传感器形式多种多样，有采用直接测量法的流量计，如科氏力质量流量计、热式质量流量计；有采用间接测量法的流量计，如孔板流量计、涡街流量计、文丘里流量计、皮托管及均速管流量计等。试验台本身有许多限制条件，不是所有流量计都适用于空气管理系统试验台，需要考虑多方面的因素。
加装的流量计引入的压力损失应尽量小、对流速、流场的影响尽量少，否则会影响原有的流量分配；流量计对直管段的要求应尽量低，因为试验台上管路的直管段并不理想；流量计不能对振动和游离水敏感，因为试验台本身可能存在振动和游离水；流量计需安装拆卸方便、易于维护，需要替换掉原有管路的流量计不适合用于本试验台。
在综合考虑各类流量计的特点、适用范围和试验台的限制之后，选择均速管来进行流量测量是最合适的方案，其安装方便、引入压力损失小同时满足测量范围和精度要求。
选定流量计类型后，在具体的安装使用地点，仍然有许多需要注意的地方。每个流量计都必须根据使用点的温度、压力、流量、管径、壁厚等因素进行科学的计算，然后对流量计进行正确的选型，否则测量仍然会出现额外误差。
3 结语
民用飞机空气管理系统的台架试验必不可少，试验台传感系统的合理布局和正确选择是台架试验有效性的基本保障。本文针对空气管理系统试验台架的特点，在充分了解试验测试需求和市场调研的基础上，对传感器的布局和选型考虑进行了的论述，整个传感系统满足试验测试需求，具有很强的实践操作指导意义。
【参考文献】
[1]寿荣中，何慧姗.飞行器环境控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.
[2]朱春玲.飞行器环境控制与安全救生[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.
[3]黄德先，王京春，金以慧.过程控制系统[M].北京：清华大学出版社，2011.
[4]纪纲.流量测量仪表应用技巧[M].2版.北京：化学工业出版社，2009.
[5]程立嘉，程晓忠，左彦声.大型客机空气管理系统现状与发展趋势[J].航空科学技术，2008（3）：7-8.
[责任编辑：曹明明]
【摘 要】空气管理系统是为民用飞机舱内乘客提供生命保障和舒适环境的关键系统，有必要进行台架试验来对系统的各项功能和性能进行试验验证。台架试验中通过监测各个物理参数来验证系统对温度、压力、流量等参数的调节能力，诸多的物理参数需要通过不同类型的传感器来实现原始感测，以满足试验的测试需求，本文重点对空气管理系统台架试验用传感器的布局和选型进行了论述，具有实践指导意义。
【关键词】民用飞机；空气管理系统；台架试验；传感器
0 前言
空气管理系统是民用飞机重要的机载系统之一。以飞机在大气平流层内巡航为例，11000米高空的大气压力约为22.7kPa、温度约为-56.5℃，并且空气稀薄、臭氧浓度上升，人体若暴露于这样的环境，很快便会死亡。因此空气管理系统首先要为舱内乘客提供生命安全保障；其次，民用飞机用于商载用途必须面对市场同类产品的竞争，其空气管理系统必须为乘客提供舒适的舱内大气环境。对于150～200座级的民用飞机，空气管理系统的普遍方案均是从发动机引出空气，通过制冷、压力调节等系统，为飞机各用气区域供给合适的空气。
空气管理系统的台架试验必不可少，是验证系统功能和性能的重要手段之一。台架试验作为研发试验，可以在试验室试验中及时发现问题、解决问题，为系统优化设计提供依据；通过台架试验可以验证系统各项指标是否达到方案设计要求；台架试验的另一个作用是实现故障复现，可以将在机上地面试验或试飞试验中发现的问题在试验台上进行故障复现，以帮助查找问题的根源所在。
为保证台架试验获得准确可靠的数据，数据的测量、采集显得尤为重要；而传感器作为检测不同物理参数的源头，其作用不言而喻。传感器的布局和选型需遵循科学合理的原则，需要经过多方面充分的分析和考虑，以确保台架试验的有效性。
1 传感器的布局
空气管理系统包括气源系统、制冷系统、空气分配系统、压力调节系统等多个子系统，试验台架包括从气源系统到空气输送末端的所有管路和设备，不模拟飞机增压舱段，传感器分布在各管路设备上。
传感器的布局需遵循科学合理、具有可实现性的原则。台架试验是通过实测值和理论设计值对比，来实现系统的功能和性能验证。理想状态下，希望布置尽可能多的传感器来获得实测值；但实际情况是，空气管理系统设备作为机载设备，受限于飞机结构的空间和重量要求，在很多地方做了特殊设计，许多希望加装传感器的地方并不具备安装条件。在这样的情况下，传感器的布局原则就变成了在条件允许的情况下，尽量多布置。下面是以空气分配系统（图1）为例，在综合考虑测试需求和安装条件后，做出的传感器安装布局原理图。
在试验台架上选择传感器加装位置时，需考虑以下因素：
1）在冷热气流混合未充分的地方不易布置温度传感器，否则测试数据不具代表性；
2）在管路弯曲的地方不易布置压力传感器，否则会使测得值远离真实需要值；
3）在有活门的管路，流量传感器宜布置在活门上游，因为活门的作动会影响下游的流场；
4）布置流量传感器时需考虑流量计对前后直管段的要求；
5）在测试点布置传感器，应避免加装的传感器对测试目标造成影响，如无法避免，应将影响降至最低。
如果没有在正确的位置加装传感器，试验中诸多问题便会接踵而至，轻则导致测试数据失效，进而试验无效、影响试验进度；重则，由于错误的传感器布局造成设备原有的强度降低，在试验中发生事故造成重大损失。
2 传感器的选型
根据图1所示原理图，试验中需要测试的物理参数主要是温度、压力和流量，下面分别介绍对这几类传感器的选型考虑。
2.1 选型原则
鉴于传感器是加装到试验室内的试验台架上，而非飞机上，减少了对设备的空间和重量限制，所以传感器的重量和体积对选型影响较小；而精度、响应时间、量程和适用环境直接影响传感器是否满足测试需求，是需要着重考虑的因素；更重要的一点是所选择的传感器加装到试验台架上不能影响系统原有的构型，当影响无法避免时，应选择合适的类型使其对系统的影响降至最低。
2.2 温度传感器的选型
温度传感器主要选择铠装K型热电偶和铠装Pt100铂热电阻两种类型，铠装形式是为了满足强度需求。热电偶反应快、量程范围宽，主要用于气源系统；热电阻线性度好、精度高，主要用于余下场合。
2.3 压力传感器的选型
压力传感器的选型也分两类。一种体积小、频率响应高（达5kHz），适用于压力变化快、需要测试系统动态特性的场合；另一种体积大、长期稳定性好、精度高，适用于压力相对稳定、对安装空间无限制的场合。
2.4 流量传感器的选型
台架试验的流量测量需要的是质量流量值而非体积流量值。因为，在正常情况下，人体需要的新鲜空气量为每分钟0.7～0.9kg，而在0～30km的高度范围内，大气化学成分的比例基本稳定不变。所以在判断系统流量控制和分配是否满足要求时，需要测量的是空气的质量流量，而非体积流量。
目前市场上可以实现质量流量测量的传感器形式多种多样，有采用直接测量法的流量计，如科氏力质量流量计、热式质量流量计；有采用间接测量法的流量计，如孔板流量计、涡街流量计、文丘里流量计、皮托管及均速管流量计等。试验台本身有许多限制条件，不是所有流量计都适用于空气管理系统试验台，需要考虑多方面的因素。
加装的流量计引入的压力损失应尽量小、对流速、流场的影响尽量少，否则会影响原有的流量分配；流量计对直管段的要求应尽量低，因为试验台上管路的直管段并不理想；流量计不能对振动和游离水敏感，因为试验台本身可能存在振动和游离水；流量计需安装拆卸方便、易于维护，需要替换掉原有管路的流量计不适合用于本试验台。
在综合考虑各类流量计的特点、适用范围和试验台的限制之后，选择均速管来进行流量测量是最合适的方案，其安装方便、引入压力损失小同时满足测量范围和精度要求。
选定流量计类型后，在具体的安装使用地点，仍然有许多需要注意的地方。每个流量计都必须根据使用点的温度、压力、流量、管径、壁厚等因素进行科学的计算，然后对流量计进行正确的选型，否则测量仍然会出现额外误差。
3 结语
民用飞机空气管理系统的台架试验必不可少，试验台传感系统的合理布局和正确选择是台架试验有效性的基本保障。本文针对空气管理系统试验台架的特点，在充分了解试验测试需求和市场调研的基础上，对传感器的布局和选型考虑进行了的论述，整个传感系统满足试验测试需求，具有很强的实践操作指导意义。
【参考文献】
[1]寿荣中，何慧姗.飞行器环境控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.
[2]朱春玲.飞行器环境控制与安全救生[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.
[3]黄德先，王京春，金以慧.过程控制系统[M].北京：清华大学出版社，2011.
[4]纪纲.流量测量仪表应用技巧[M].2版.北京：化学工业出版社，2009.
[5]程立嘉，程晓忠，左彦声.大型客机空气管理系统现状与发展趋势[J].航空科学技术，2008（3）：7-8.
[责任编辑：曹明明]
【摘 要】空气管理系统是为民用飞机舱内乘客提供生命保障和舒适环境的关键系统，有必要进行台架试验来对系统的各项功能和性能进行试验验证。台架试验中通过监测各个物理参数来验证系统对温度、压力、流量等参数的调节能力，诸多的物理参数需要通过不同类型的传感器来实现原始感测，以满足试验的测试需求，本文重点对空气管理系统台架试验用传感器的布局和选型进行了论述，具有实践指导意义。
【关键词】民用飞机；空气管理系统；台架试验；传感器
0 前言
空气管理系统是民用飞机重要的机载系统之一。以飞机在大气平流层内巡航为例，11000米高空的大气压力约为22.7kPa、温度约为-56.5℃，并且空气稀薄、臭氧浓度上升，人体若暴露于这样的环境，很快便会死亡。因此空气管理系统首先要为舱内乘客提供生命安全保障；其次，民用飞机用于商载用途必须面对市场同类产品的竞争，其空气管理系统必须为乘客提供舒适的舱内大气环境。对于150～200座级的民用飞机，空气管理系统的普遍方案均是从发动机引出空气，通过制冷、压力调节等系统，为飞机各用气区域供给合适的空气。
空气管理系统的台架试验必不可少，是验证系统功能和性能的重要手段之一。台架试验作为研发试验，可以在试验室试验中及时发现问题、解决问题，为系统优化设计提供依据；通过台架试验可以验证系统各项指标是否达到方案设计要求；台架试验的另一个作用是实现故障复现，可以将在机上地面试验或试飞试验中发现的问题在试验台上进行故障复现，以帮助查找问题的根源所在。
为保证台架试验获得准确可靠的数据，数据的测量、采集显得尤为重要；而传感器作为检测不同物理参数的源头，其作用不言而喻。传感器的布局和选型需遵循科学合理的原则，需要经过多方面充分的分析和考虑，以确保台架试验的有效性。
1 传感器的布局
空气管理系统包括气源系统、制冷系统、空气分配系统、压力调节系统等多个子系统，试验台架包括从气源系统到空气输送末端的所有管路和设备，不模拟飞机增压舱段，传感器分布在各管路设备上。
传感器的布局需遵循科学合理、具有可实现性的原则。台架试验是通过实测值和理论设计值对比，来实现系统的功能和性能验证。理想状态下，希望布置尽可能多的传感器来获得实测值；但实际情况是，空气管理系统设备作为机载设备，受限于飞机结构的空间和重量要求，在很多地方做了特殊设计，许多希望加装传感器的地方并不具备安装条件。在这样的情况下，传感器的布局原则就变成了在条件允许的情况下，尽量多布置。下面是以空气分配系统（图1）为例，在综合考虑测试需求和安装条件后，做出的传感器安装布局原理图。
在试验台架上选择传感器加装位置时，需考虑以下因素：
1）在冷热气流混合未充分的地方不易布置温度传感器，否则测试数据不具代表性；
2）在管路弯曲的地方不易布置压力传感器，否则会使测得值远离真实需要值；
3）在有活门的管路，流量传感器宜布置在活门上游，因为活门的作动会影响下游的流场；
4）布置流量传感器时需考虑流量计对前后直管段的要求；
5）在测试点布置传感器，应避免加装的传感器对测试目标造成影响，如无法避免，应将影响降至最低。
如果没有在正确的位置加装传感器，试验中诸多问题便会接踵而至，轻则导致测试数据失效，进而试验无效、影响试验进度；重则，由于错误的传感器布局造成设备原有的强度降低，在试验中发生事故造成重大损失。
2 传感器的选型
根据图1所示原理图，试验中需要测试的物理参数主要是温度、压力和流量，下面分别介绍对这几类传感器的选型考虑。
2.1 选型原则
鉴于传感器是加装到试验室内的试验台架上，而非飞机上，减少了对设备的空间和重量限制，所以传感器的重量和体积对选型影响较小；而精度、响应时间、量程和适用环境直接影响传感器是否满足测试需求，是需要着重考虑的因素；更重要的一点是所选择的传感器加装到试验台架上不能影响系统原有的构型，当影响无法避免时，应选择合适的类型使其对系统的影响降至最低。
2.2 温度传感器的选型
温度传感器主要选择铠装K型热电偶和铠装Pt100铂热电阻两种类型，铠装形式是为了满足强度需求。热电偶反应快、量程范围宽，主要用于气源系统；热电阻线性度好、精度高，主要用于余下场合。
2.3 压力传感器的选型
压力传感器的选型也分两类。一种体积小、频率响应高（达5kHz），适用于压力变化快、需要测试系统动态特性的场合；另一种体积大、长期稳定性好、精度高，适用于压力相对稳定、对安装空间无限制的场合。
2.4 流量传感器的选型
台架试验的流量测量需要的是质量流量值而非体积流量值。因为，在正常情况下，人体需要的新鲜空气量为每分钟0.7～0.9kg，而在0～30km的高度范围内，大气化学成分的比例基本稳定不变。所以在判断系统流量控制和分配是否满足要求时，需要测量的是空气的质量流量，而非体积流量。
目前市场上可以实现质量流量测量的传感器形式多种多样，有采用直接测量法的流量计，如科氏力质量流量计、热式质量流量计；有采用间接测量法的流量计，如孔板流量计、涡街流量计、文丘里流量计、皮托管及均速管流量计等。试验台本身有许多限制条件，不是所有流量计都适用于空气管理系统试验台，需要考虑多方面的因素。
加装的流量计引入的压力损失应尽量小、对流速、流场的影响尽量少，否则会影响原有的流量分配；流量计对直管段的要求应尽量低，因为试验台上管路的直管段并不理想；流量计不能对振动和游离水敏感，因为试验台本身可能存在振动和游离水；流量计需安装拆卸方便、易于维护，需要替换掉原有管路的流量计不适合用于本试验台。
在综合考虑各类流量计的特点、适用范围和试验台的限制之后，选择均速管来进行流量测量是最合适的方案，其安装方便、引入压力损失小同时满足测量范围和精度要求。
选定流量计类型后，在具体的安装使用地点，仍然有许多需要注意的地方。每个流量计都必须根据使用点的温度、压力、流量、管径、壁厚等因素进行科学的计算，然后对流量计进行正确的选型，否则测量仍然会出现额外误差。
3 结语
民用飞机空气管理系统的台架试验必不可少，试验台传感系统的合理布局和正确选择是台架试验有效性的基本保障。本文针对空气管理系统试验台架的特点，在充分了解试验测试需求和市场调研的基础上，对传感器的布局和选型考虑进行了的论述，整个传感系统满足试验测试需求，具有很强的实践操作指导意义。
【参考文献】
[1]寿荣中，何慧姗.飞行器环境控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.
[2]朱春玲.飞行器环境控制与安全救生[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.
[3]黄德先，王京春，金以慧.过程控制系统[M].北京：清华大学出版社，2011.
[4]纪纲.流量测量仪表应用技巧[M].2版.北京：化学工业出版社，2009.
[5]程立嘉，程晓忠，左彦声.大型客机空气管理系统现状与发展趋势[J].航空科学技术，2008（3）：7-8.
[责任编辑：曹明明]
