本應(yīng)用說明討論了用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量測(cè)量的信號(hào)調(diào)理解決方案

簡介

美國宇航局的約翰C.斯坦尼斯航天中心已經(jīng)對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了40多年的測(cè)試。在斯坦尼斯進(jìn)行的測(cè)試對(duì)美國太空計(jì)劃至關(guān)重要。A和B試驗(yàn)復(fù)合體中配有60年代用來測(cè)試土星-v火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的垂直支架。在航天飛機(jī)時(shí)代，試驗(yàn)臺(tái)用于測(cè)試航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)（SSME）。如今，該中心支持各種試驗(yàn)計(jì)劃，包括為尖端的太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)。本應(yīng)用說明討論了用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量測(cè)量的信號(hào)調(diào)理解決方案。

為了產(chǎn)生推力，化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)需要可燃燃料和氧化劑（如液氧）。精確測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)燃料/氧化劑消耗的速率量對(duì)于測(cè)量火箭的性能參數(shù)至關(guān)重要，例如比沖量：燃料質(zhì)量消耗與每秒產(chǎn)生的推力之比。比沖量的測(cè)量決定有效載荷大小和任務(wù)燃料需求。

燃料管路中的渦輪流量計(jì)監(jiān)測(cè)燃料/氧化劑的消耗。當(dāng)流體流過葉片時(shí)，內(nèi)部渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并且磁性拾取器產(chǎn)生電脈沖。流量計(jì)輸出的脈沖頻率與燃料和氧化劑到火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的體積流量成比例。

流量計(jì)信號(hào)通常在脈沖信號(hào)上具有過沖、振鈴和噪聲，這使得可靠的觸發(fā)和頻率測(cè)量非常困難。流量計(jì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生噪聲，其頻率成分高于和低于脈沖信號(hào)。從傳感器到傳感器的噪聲成分的變化多樣性對(duì)信號(hào)調(diào)理提出了新的和不斷發(fā)展的挑戰(zhàn)。

經(jīng)過30年的服役，斯坦尼斯試驗(yàn)臺(tái)的信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)需要升級(jí)。原有系統(tǒng)故障率正在增加，維修成本很高，而且許多部件都是如此，不再可用。希望采用一套具有計(jì)算機(jī)程控設(shè)置的替代解決方案和一個(gè)可以進(jìn)行現(xiàn)場自動(dòng)校準(zhǔn)的解決方案。

為了應(yīng)對(duì)不斷變化的流量測(cè)量挑戰(zhàn)并降低系統(tǒng)設(shè)置、驗(yàn)證和維護(hù)成本，NASA選擇了PFI公司的28000系統(tǒng)，其28524頻/壓轉(zhuǎn)換器和28608B濾波器/放大器用于燃料流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前端信號(hào)調(diào)理。

解決方案

PFI公司的28000系統(tǒng)支持混合信號(hào)的調(diào)理，用于應(yīng)變、沖擊、振動(dòng)、頻壓轉(zhuǎn)換和抗混疊濾波。如下面的通道方框圖所示，燃油監(jiān)控系統(tǒng)前端信號(hào)調(diào)理使用配有帶通濾波器的28608B濾波/放大器卡來緩沖、放大和過濾流量計(jì)脈沖信號(hào)。帶通濾波器功能可有效清除頻率轉(zhuǎn)換前的原始流量計(jì)信號(hào)諧波和噪聲。因?yàn)槊總€(gè)濾波器的截止頻率是獨(dú)立設(shè)置的，可以改變帶通響應(yīng)的中心頻率和帶寬，以抑制因傳感器而異的干擾信號(hào)和諧波。

PFI 28524頻壓轉(zhuǎn)換卡可精確測(cè)量流量計(jì)信號(hào)的頻率，并輸出與頻率成比例的精確直流電平。可以為每個(gè)通道獨(dú)立編程直流輸出范圍，允許用戶將直流輸出調(diào)整到感興趣的流量計(jì)頻率范圍。28524具有四個(gè)用于DC輸出的平均時(shí)間常數(shù)，因此用戶可以選擇平滑或快速輸出響應(yīng)。

為了處理最困難的流量計(jì)信號(hào)，28524卡具有可配置的觸發(fā)器。可編程觸發(fā)極性（正或負(fù)）、觸發(fā)保持（以秒為單位）和觸發(fā)電平設(shè)置允許可靠地測(cè)量具有振鈴、過沖、交叉失真或毛刺的信號(hào)的頻率。

圖1：可編程觸發(fā)閾值設(shè)置在毛刺上方

圖1顯示了實(shí)際流量計(jì)的信號(hào)。展現(xiàn)了預(yù)期的周期性波形，在每個(gè)信號(hào)周期的中間存在毛刺，其在周期與周期之間略有變化。這些毛刺處于零點(diǎn)附近，因毛刺帶有附加的上升沿和下降沿，從而容易導(dǎo)致誤觸發(fā)。

提供可靠觸發(fā)的一種方法是將28524觸發(fā)點(diǎn)設(shè)置在信號(hào)周期中的毛刺點(diǎn)之上或之下，如圖1中的紅線所示。

另一種方法是觸發(fā)延時(shí)功能，如圖2所示。觸發(fā)電路在延遲時(shí)間內(nèi)被禁用以忽略假的邊沿信號(hào)。

NASA斯坦尼斯流量計(jì)信號(hào)調(diào)理器的通道框圖

解決方案亮點(diǎn)

* 可擴(kuò)展的通用調(diào)理解決方案，用一臺(tái)高密度機(jī)箱實(shí)現(xiàn)，支持各種傳感器類型。

* 程控帶通濾波降低了流量計(jì)信號(hào)的帶外噪聲。

* 頻率/直流電壓轉(zhuǎn)換器可靠地測(cè)量流量計(jì)脈沖輸出，以確定燃料/氧化劑體積流量。

* 28000 FAT提供在測(cè)試現(xiàn)場全自動(dòng)的NIST可溯源的校準(zhǔn)測(cè)試。

* 28000 Go/No-Go測(cè)試功能提供信號(hào)調(diào)理設(shè)置的自動(dòng)驗(yàn)證。

美國宇航局斯坦尼斯的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試

系統(tǒng)自檢和校準(zhǔn)

PFI的內(nèi)置測(cè)試功能使用戶可以執(zhí)行NIST可追溯的校準(zhǔn)測(cè)試，無需從設(shè)備機(jī)架中移除系統(tǒng)，從而節(jié)省了NASA數(shù)小時(shí)的預(yù)測(cè)試手動(dòng)驗(yàn)證。執(zhí)行每個(gè)卡功能，測(cè)量所有數(shù)據(jù)關(guān)鍵性能特征，并與已發(fā)布的參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較。

Go/No-Go測(cè)試可以快速驗(yàn)證每個(gè)通道的運(yùn)行時(shí)設(shè)置。通道設(shè)置包括增益、濾波器設(shè)置、DC偏移和噪聲電平，可以快速測(cè)量、驗(yàn)證和報(bào)告，從而證明設(shè)備運(yùn)行正常。

用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料流量測(cè)試的PFI設(shè)備

28016信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)，帶28000測(cè)試子系統(tǒng)

28608B濾波放大器卡 

   28524頻壓轉(zhuǎn)換卡

28000圖形用戶界面（GUI）