飛行員航空生理訓(xùn)練中分子篩氧濃縮器氣源控制裝置的研制

王桂友，臧 斌，曾 宇，薛利豪，吳建兵，于立華，溫冬青，施維茹，張 巖，殷東辰，涂 磊，劉曉鵬，顧 昭*

（1.空軍特色醫(yī)學(xué)中心航空生理研究室，北京100142；2.北京航空航天大學(xué)，北京100191）

0 引言

目前，飛行員航空生理訓(xùn)練已列入我軍飛行員訓(xùn)練大綱[1]。為模擬航空分子篩氧濃縮器供氧，提升缺氧體驗訓(xùn)練效果，需要對低壓艙航空試驗條件下分子篩氣源的壓力、流量、溫度進行有效控制[2-7]。為評估航空分子篩氧濃縮器的供氧性能，需要進行氧氣系統(tǒng)生理試驗，該試驗?zāi)壳斑€缺少機載分子篩氧濃縮器氣源專用的控制設(shè)備，只能對壓力進行手動調(diào)節(jié)，不能對溫度和流量進行調(diào)節(jié)。分子篩氧濃縮器的供氧性能與供氣參數(shù)、工作環(huán)境條件及脫附壓力等密切相關(guān)[8]。如何在低壓艙航空試驗條件下對分子篩氧濃縮器氣源的壓力、流量、溫度進行有效控制，已經(jīng)成為機載氧氣系統(tǒng)生理試驗的關(guān)鍵。研制機載分子篩氧濃縮器氣源控制裝置，實現(xiàn)氣源的控制，對評價分子篩氧濃縮器供氧性能、模擬飛行員航空低壓訓(xùn)練具有重要意義[9-10]。本文設(shè)計一套能夠?qū)Ψ肿雍Y氧濃縮器氣源的壓力、流量、溫度3個參數(shù)進行調(diào)節(jié)的分子篩氧濃縮器氣源控制裝置，并搭建氧氣系統(tǒng)生理試驗平臺進行試驗驗證，結(jié)果表明本裝置可滿足分子篩氧濃縮器供氧性能試驗的要求。

1 設(shè)計要求

氧氣系統(tǒng)生理試驗平臺主要由供氣系統(tǒng)、氣源控制裝置和氧氣系統(tǒng)3個部分構(gòu)成。其中供氣系統(tǒng)由空氣壓縮機、冷凍式除濕機和儲氣罐組成。氣源控制裝置能夠?qū)庀到y(tǒng)的氣體輸出參數(shù)，包括壓力、流量和溫度等進行精確控制。分子篩氧濃縮器是機載氧氣系統(tǒng)的一部分，能夠?qū)嚎s空氣分離出不同體積分數(shù)的富氧氣體，最終供給飛行人員使用。氧氣系統(tǒng)除了分子篩氧濃縮器之外，還包括電子式減壓器、氧源轉(zhuǎn)換器、氧氣調(diào)節(jié)器、呼吸指示器、斷接器以及各種管路、接頭等。分子篩氧濃縮器的性能與氣源的壓力、流量和溫度有很大關(guān)系，因此氣源控制裝置是氧氣系統(tǒng)生理試驗平臺的核心，對訓(xùn)練效果具有重要的作用。

圖1 氧氣系統(tǒng)生理試驗平臺組成

1.1 設(shè)計要求與原理

1.1.1 測量參數(shù)

測量參數(shù)包括氣源溫度、加熱器出口溫度，分子篩氧濃縮器入口氣源溫度、壓力和流量（指質(zhì)量流量）。

1.1.2 控制參數(shù)

控制參數(shù)包括分子篩氧濃縮器入口氣源溫度、壓力和流量（指質(zhì)量流量）。其中氣源壓力調(diào)節(jié)范圍為0~0.9 MPa，精度為±1.5%FS；流量調(diào)節(jié)范圍為0~80 kg/h，精度為±3.0%FS；溫度調(diào)節(jié)范圍為室溫~100℃，精度為±2.0%FS。

1.1.3 氣源控制裝置的原理

氣源控制裝置采用電子式減壓器、比例電磁調(diào)節(jié)閥、加熱電爐等作為執(zhí)行機構(gòu)，在PID（proportion integral differential）控制器的控制下分別對壓力、流量和溫度進行調(diào)節(jié)。裝置設(shè)置相應(yīng)的傳感器實時采集3種物理量信號，通過線路傳送到PID控制器進行反饋控制。

1.2 氣路參數(shù)設(shè)計

1.2.1 加熱功率

空氣壓縮機出口的空氣溫度一般在50℃左右[11]，經(jīng)儲氣罐、過濾器和冷凍式除濕機后進入氧氣系統(tǒng)。按入口溫度30℃、出口溫度100℃計算，溫度增量Δt為70℃，氣體質(zhì)量流量Qm為80 kg/h，空氣等壓比熱Cp為1.005 kJ/kg，加熱功率Pf=Qm·Cp·Δt=5.628 kW?？紤]到加熱電爐內(nèi)的換熱效率及縮短加熱時間等因素，同時考慮到可控硅在滿輸出功率50%左右的工況下調(diào)節(jié)效果最好，將加熱電爐功率定為10 kW。

1.2.2 壓力露點溫度

按照設(shè)計要求，總壓p總為900 kPa，含濕量d為10 g/kg，由含濕量公式d=622pv/（p總-pv）可計算出水蒸氣分壓力pv為141 kPa，因此飽和濕空氣壓力ps為141 kPa時對應(yīng)的飽和溫度即為露點溫度[12]。查水蒸氣表[13]可知，壓力露點溫度約為43℃，高壓氣源氣壓降為常壓后露點溫度為15℃。因此，高壓氣體經(jīng)過冷凍式除濕機就可以滿足含濕量要求。

1.2.3 主要管路尺寸

原有系統(tǒng)管路直徑d為0.02 m。進口氣流質(zhì)量流量Qm為80 kg/h，氣體壓力在100~500 kPa范圍變動，查表可知溫度為20℃的干空氣常壓密度為1.205 kg/m3[14]。假設(shè)空氣為理想氣體，由Qm=Qv/ρ（Qv為氣體體積流量，ρ為氣體密度）可知Qv變動范圍為11.06~33.14 m3/h，按照壓縮空氣管路設(shè)計規(guī)范要求，管內(nèi)空氣流速v需小于10 m/s。按v=10 m/s設(shè)計，根據(jù)v=Qv/S可知管路截面積S為0.000 69 m2，進氣管路管徑d為0.02 m即可符合要求。

2 氣源控制裝置設(shè)計

氣源控制裝置由采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)2個部分組成，包括各類傳感器、控制儀表、壓力調(diào)節(jié)裝置、流量調(diào)節(jié)裝置、溫度調(diào)節(jié)裝置和控制元器件等。所有的系統(tǒng)、儀表和元器件安裝在控制柜中，形成氣源控制裝置，實物圖如圖2所示。

2.1 采集系統(tǒng)

2.1.1 流量采集

供氣流量由美國Alicat公司的質(zhì)量流量計采集。該質(zhì)量流量計內(nèi)部集成了差壓、絕壓和溫度采集模塊，能夠采集壓力和溫度信號，自動計算生成質(zhì)量流量參數(shù)。其內(nèi)部還設(shè)定了氣體成分補償功能，可以根據(jù)氣體成分的差異自動補償。該質(zhì)量流量計可測量質(zhì)量流量、體積流量、溫度和絕壓4種參數(shù)，可選累計流量并可以通過動態(tài)顯示屏同時顯示。測量數(shù)據(jù)通過4～20 mA模擬信號傳輸?shù)斤@示儀表。

2.1.2 壓力采集

進氣壓力采用HUBA精小型壓力傳感器采集，將采集的壓力信號轉(zhuǎn)換為4～20 mA模擬信號傳輸至顯示儀表。

2.1.3 溫度采集

供氣溫度采集選用奧地利E+E公司的多功能EE31工業(yè)用溫濕度傳感器，不僅能滿足溫濕度高精度測量要求，還具備良好的長期穩(wěn)定性和抗電磁干擾能力。該傳感器具備雙通道的報警輸出模塊、組態(tài)LCD顯示屏的顯示模塊，并可更換測量探頭的插拔組件，可按用戶的實際要求進行配置。由于氣源控制裝置所測量氣體具有最高絕對壓力900 kPa和-20～70℃的溫度范圍，需選用E型測量探頭。同時該傳感器具備模擬信號輸出方式，可將測量值傳輸給PID控制器進行顯示。

圖2 氣源控制裝置實物圖

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用日本導(dǎo)電的SRS10A系列數(shù)字控制器（以下簡稱“控制器”）。該控制器采用PID算法，可設(shè)定獨立的PID參數(shù)，具有數(shù)字通信功能。

2.2.1 壓力控制

供氣壓力采用日本SMC的ARP40電子式減壓器進行控制，可根據(jù)控制柜上的壓力控制儀表/電位計輸出的0～5 V控制信號對應(yīng)的設(shè)定壓力進行PID控制，其PID參數(shù)、顯示的單位、設(shè)定壓力值等均可在現(xiàn)場用儀表上的按鍵修改或通過RS485串口由工控機控制程序修改。該減壓器的控制范圍為0～1 MPa，具有結(jié)構(gòu)精巧、響應(yīng)迅速、輸出穩(wěn)定等特點。

氣源壓力控制原理如圖3所示，控制器采集壓力信號，根據(jù)控制柜上的控制儀表輸出設(shè)定值進行控制量計算，控制比例電磁調(diào)節(jié)閥的開度，實現(xiàn)對壓力的控制。

圖3 氣源壓力控制原理圖

2.2.2 溫度控制

溫度控制通過控制器調(diào)節(jié)加熱器的功率來實現(xiàn)。其中加熱器選用加熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊的不銹鋼電加熱元件。通過控制器的電位計控制可控硅的輸出電壓來調(diào)節(jié)加熱器的輸出功率達到控溫的目的。氣源溫度控制原理如圖4所示。

圖4 氣源溫度控制原理圖

2.2.3 流量控制

流量調(diào)節(jié)是由流量控制器來實現(xiàn)的。流量控制器內(nèi)部包含PD（proportion differential）控制器、流量傳感器和比例電磁調(diào)節(jié)閥，可根據(jù)控制器輸出的信號自動進行閉環(huán)控制，達到控制氣源流量的目的。氣源流量控制原理如圖5所示。

圖5 氣源流量控制原理圖

2.2.4 控制系統(tǒng)工作模式

控制系統(tǒng)有以下2種控制模式：

（1）脫機手動控制模式：計算機不參與控制，由人在控制柜上手動操作按鈕和按鍵，實現(xiàn)對各參數(shù)的半自動控制，測量參數(shù)顯示在控制柜的面板上。測量參數(shù)的存儲由手動控制計算機完成。

（2）聯(lián)機手動控制模式：由顯示屏上的按鍵輸入控制操作，計算機通過RS485串口控制壓力控制器、溫度控制器和流量控制器來實現(xiàn)對各個參數(shù)的半自動控制及各測量參數(shù)在顯示屏上的顯示。

3 性能測試

為驗證氣源控制裝置的性能是否滿足設(shè)計要求，對裝置進行性能測試。

3.1 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備包括空氣壓縮機、儲氣罐、冷凍式除濕機、計量設(shè)備和某型飛行員機載氧氣系統(tǒng)，其中計量設(shè)備有溫度計、壓力表、質(zhì)量流量計，均在檢定有效期內(nèi)。

3.2 試驗過程

將空氣壓縮機、儲氣罐、冷凍式除濕機通過管路與氣源控制裝置串聯(lián)在一起，將質(zhì)量流量計串聯(lián)在氣源控制裝置出口，將溫度計和壓力表通過三通連接到氣源控制裝置出口。將質(zhì)量流量計出口連接到飛行員機載氧氣系統(tǒng)中分子篩氧濃縮器的入口。開啟空氣壓縮機、冷凍式除濕機和飛行員機載氧氣系統(tǒng)，待輸出壓力穩(wěn)定后開啟氣源控制裝置，分別調(diào)節(jié)氣源控制裝置的壓力、流量和溫度參數(shù)，通過計量設(shè)備讀取實際輸出值，對比確定設(shè)備性能。按照設(shè)計要求，壓力的調(diào)節(jié)范圍是0~0.9 MPa，流量的調(diào)節(jié)范圍是0~80 kg/h，溫度的調(diào)節(jié)范圍是室溫~100℃。因此將壓力輸出設(shè)置為0.15、0.20、0.40、0.60、0.90 MPa 5擋，流量設(shè)置為20、40、60和80 kg/h 4擋，溫度設(shè)置為40、60、80和100℃4擋。所有測量結(jié)果采用5次測量取均值±標準差的形式。

4 結(jié)果

室溫條件下，將氣源控制裝置的流量設(shè)定為40 kg/h，分別設(shè)定輸出壓力為0.15、0.20、0.40、0.60和0.90 MPa，用壓力表進行讀數(shù)，當(dāng)設(shè)定值為0.90 MPa時最大偏差為0.099 MPa，詳見表1。

室溫條件下，將氣源控制裝置的壓力設(shè)定為0.30 MPa，分別設(shè)定輸出流量為20、40、60和80 kg/h，用質(zhì)量流量計進行讀數(shù)，當(dāng)設(shè)定值為80 kg/h時最大偏差為2.3 kg/h，詳見表2。

表1 氣源控制裝置壓力控制結(jié)果

表2 氣源控制裝置流量控制結(jié)果

室溫條件下，將氣源控制裝置的壓力設(shè)定為0.30 MPa，流量設(shè)定為40 kg/h，分別設(shè)定輸出溫度為40、60、80和100℃，用溫度計進行讀數(shù)，當(dāng)設(shè)定值為100℃時最大偏差為1.6℃，詳見表3。

表3 氣源控制裝置溫度控制結(jié)果

試驗表明，氣源控制裝置對壓力、流量和溫度等參數(shù)的控制精度能夠滿足設(shè)計要求，詳見表4。

表4 氣源控制裝置控制精度

5 創(chuàng)新點

本文研制的氣源控制裝置是機電一體化自動控制設(shè)備。本裝置以日本導(dǎo)電SRS10A系列PID控制器為控制核心，設(shè)置了流量傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器，對各個參數(shù)進行實時檢測和反饋控制。其創(chuàng)新點包括：（1）建立了管路內(nèi)氣體壓力、流量、溫度的精確控制系統(tǒng)，能夠?qū)Ω鱾€參數(shù)進行動態(tài)連續(xù)控制，代替了傳統(tǒng)的手動調(diào)節(jié)、控制的方法，提高了效率；（2）搭建了PID控制系統(tǒng)，提高了控制精度，為相關(guān)管路內(nèi)氣體參數(shù)控制裝備的研發(fā)提供了參考。

6 結(jié)語

機載分子篩氧濃縮器分離出的富氧氣體是飛行員高空飛行中主要的氧氣來源，因此其供氧性能非常關(guān)鍵。流量、壓力、溫度等因素對分子篩氧濃縮器氣源的供氧性能具有很大影響[14-16]，進行機載氧氣系統(tǒng)生理試驗時對氣源的參數(shù)進行單獨或聯(lián)合控制十分重要，因此亟須研制一種分子篩氧濃縮器氣源控制裝置。本文研制的分子篩氧濃縮器氣源控制裝置壓力控制最大偏差為1.1%，流量控制最大偏差為2.9%，溫度控制最大偏差為1.6%，能夠?qū)崿F(xiàn)對分子篩氧濃縮器氣源進行實時檢測和控制，可滿足飛行員模擬低壓航空試驗要求，同時，其在機載分子篩氧濃縮器供氧性能低壓高空試驗中發(fā)揮了重要作用。本裝置具有控制精度高、達到穩(wěn)定輸出時間短、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。但不足之處是遠程控制功能尚未開發(fā)，只能進行本地控制，對于實際使用存在一定的不便，因此后續(xù)工作的重點是增加和完善遠程控制功能。