【應用筆記】用于火箭發(fā)動機燃料流量測量的信號調(diào)理

本應用說明討論了用于發(fā)動機燃油流量測量的信號調(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)對火箭發(fā)動機進行了40多年的測試。在斯坦尼斯進行的測試對美國太空計劃至關重要。A和B試驗復合體中配有60年代用來測試土星-v火箭發(fā)動機的垂直支架。在航天飛機時代，試驗臺用于測試航天飛機主發(fā)動機（SSME）。如今，該中心支持各種試驗計劃，包括為尖端的太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）測試發(fā)動機。本應用說明討論了用于發(fā)動機燃油流量測量的信號調(diào)理解決方案。

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

燃料管路中的渦輪流量計監(jiān)測燃料/氧化劑的消耗。當流體流過葉片時，內(nèi)部渦輪機轉(zhuǎn)動，并且磁性拾取器產(chǎn)生電脈沖。流量計輸出的脈沖頻率與燃料和氧化劑到火箭發(fā)動機的體積流量成比例。

流量計信號通常在脈沖信號上具有過沖、振鈴和噪聲，這使得可靠的觸發(fā)和頻率測量非常困難。流量計內(nèi)部的結(jié)構產(chǎn)生噪聲，其頻率成分高于和低于脈沖信號。從傳感器到傳感器的噪聲成分的變化多樣性對信號調(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，斯坦尼斯試驗臺的信號調(diào)理系統(tǒng)需要升級。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算機程控設置的替代解決方案和一個可以進行現(xiàn)場自動校準的解決方案。

為了應對不斷變化的流量測量挑戰(zhàn)并降低系統(tǒng)設置、驗證和維護成本，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)測系統(tǒng)的前端信號調(diào)理。

解決方案

PFI公司的28000系統(tǒng)支持混合信號的調(diào)理，用于應變、沖擊、振動、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、放大和過濾流量計脈沖信號。帶通濾波器功能可有效清除頻率轉(zhuǎn)換前的原始流量計信號諧波和噪聲。因為每個濾波器的截止頻率是獨立設置的，可以改變帶通響應的中心頻率和帶寬，以抑制因傳感器而異的干擾信號和諧波。

PFI 28524頻壓轉(zhuǎn)換卡可精確測量流量計信號的頻率，并輸出與頻率成比例的精確直流電平?？梢詾槊總€通道獨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頻率范圍。28524具有四個用于DC輸出的平均時間常數(shù)，因此用戶可以選擇平滑或快速輸出響應。

為了處理最困難的流量計信號，28524卡具有可配置的觸發(fā)器?？删幊逃|發(fā)極性（正或負）、觸發(fā)保持（以秒為單位）和觸發(fā)電平設置允許可靠地測量具有振鈴、過沖、交叉失真或毛刺的信號的頻率。

圖1：可編程觸發(fā)閾值設置在毛刺上方

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

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

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

NASA斯坦尼斯流量計信號調(diào)理器的通道框圖

解決方案亮點

* 可擴展的通用調(diào)理解決方案，用一臺高密度機箱實現(xiàn)，支持各種傳感器類型。

* 程控帶通濾波降低了流量計信號的帶外噪聲。

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

* 28000 FAT提供在測試現(xiàn)場全自動的NIST可溯源的校準測試。

* 28000 Go/No-Go測試功能提供信號調(diào)理設置的自動驗證。

美國宇航局斯坦尼斯的火箭發(fā)動機測試

系統(tǒng)自檢和校準

PFI的內(nèi)置測試功能使用戶可以執(zhí)行NIST可追溯的校準測試，無需從設備機架中移除系統(tǒng)，從而節(jié)省了NASA數(shù)小時的預測試手動驗證。執(zhí)行每個卡功能，測量所有數(shù)據(jù)關鍵性能特征，并與已發(fā)布的參數(shù)指標進行比較。

Go/No-Go測試可以快速驗證每個通道的運行時設置。通道設置包括增益、濾波器設置、DC偏移和噪聲電平，可以快速測量、驗證和報告，從而證明設備運行正常。

用于火箭發(fā)動機燃料流量測試的PFI設備

28016信號調(diào)理系統(tǒng)，帶28000測試子系統(tǒng)

28608B濾波放大器卡 

   28524頻壓轉(zhuǎn)換卡

28000圖形用戶界面（GUI）