CN104360625A - 飞机空调车供风测控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种飞机空调车供风测控系统，包括空气滤网、一级蒸发器、二级蒸发器、三级蒸发器、供风管路、送风管路、蒸发风机，还包括人机界面和测控核心单元的PLC控制单元，所述供风管路靠近一级蒸发器的一端设有两个低压采样软管，在供风管路靠近蒸发风机的位置设有两个高压采用软管，还设有与低压采样软管和高压采用软管信号连接的压力变送器，压力变送器通过模拟输入模块与PLC控制单元信号连接。采用压力变送器测量管道内壁相对静压来换算供风管道内气体前后的差压，经过测量点温度、压力补偿换算出流体质量流量的方式，通过工程化的实现，降低了成本，提高了飞机地面空调车的安全性及维护性，解决了飞机空调车对流量测量及控制的需求，有效地保障了飞机地面环控系统的正常运行。

Description

飞机空调车供风测控系统

技术领域

本发明涉及供风测控领域，特别是指一种飞机空调车供风测控系统。

背景技术

飞机空调车的联机运行过程中，如何准确、安全、可靠的监测和控制供风风量，是衡量飞机空调车能否同时适用于不同型号飞机的重要功能参数。

常规的测试方式，采用供风管路内部加装流量传感器，或在供风管路外壁加装多路旁通流量传感器来实现。前者测量结果较为准确，但整个测试部件必须安装于供风管路内部或成为供风管路的一部分，在大流量、高风压的测量环境中，既增加了管路阻尼又降低了供风压力，还存在长期使用过程中零件可能失效脱落被吹入飞机电子设备舱和座舱等潜在的安全隐患，维护困难；后者需要在供风管路同一位置增加多路旁通流量测试通道进行平均值处理，安装体积较大，成本较高。上述两种方式，给设计和制造安装、使用维护带来困难和限制。

发明内容

本发明提出一种飞机空调车供风测控系统，可满足不同型号飞机地面环控试验时对供风流量调控的需求，提高飞机空调车系统的可靠性和安全性，降低生产成本。

本发明的技术方案是这样实现的：一种飞机空调车供风测控系统，包括空气滤网、一级蒸发器、二级蒸发器、三级蒸发器、供风管路、送风管路、蒸发风机，还包括人机界面和测控核心单元的PLC控制单元，所述供风管路靠近一级蒸发器的一端设有两个低压采样软管，在供风管路靠近蒸发风机的位置设有两个高压采用软管，还设有与低压采样软管和高压采用软管信号连接的压力变送器，压力变送器通过模拟输入模块与PLC控制单元信号连接。

作为优选，流体动力学能量守恒原理，应遵循伯努利方程式：

$P+\mathrm{\ρgz}+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρv}}^2=C$    (式一)

根据质量守恒原理，在同一时刻内空调车供风管路通过的气体质量相等：

Q_m＝Q_v·ρ＝A·v·ρ   (式二)

系统供风管路内标准状态下的体积流量关系式为：

$Q_{\mathrm{vn}}=K\sqrt{\frac{2\mathrm{\ΔP}}{{\mathrm{\ρ}}_n}}$    (式三)

其质量流量关系式为：

$Q_{\mathrm{mn}}=K\sqrt{{2\mathrm{\ΔP}}_n\·{\mathrm{\ρ}}_n}$    (式四)

其中， $K=\sqrt{\frac{A_1^2\·A_2^2}{A_2^2-A_1^2}}$    (式五)

作为优选，所述气体密度的温压补偿：

一级蒸发器后管道内部流动气体的密度随温度及压力变化而变化，根据气态方程：

$\frac{p\·V}{Z}=\frac{n\·R\·T}{\mathrm{\μ}}$    (式六)

供风管道前后采样点不同温度、压力状态下气体的密度关系式：

$K^{\′}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1\·T_2\·Z_2}{{\mathrm{\ρ}}_2\·T_1\·Z_1}$    (式七)

由式一、式二、式七共同推导可以得出供风管道实际质量流量的补偿修正公式：

$Q_m=\sqrt{{2\mathrm{\ΔP\ρ}}_n}\·\sqrt{\frac{A_1^2{A}_2^2}{A_2^2-A_1^2{K}^{\′}}}\·\sqrt{\frac{p_1{T}_n}{T_1{p}_n}}$    (式八)

供风测控系统对测试点进行压力值和温度值的实时采集，通过数学模型建立的PLC程序进行运算和判断，得出实时的供风流量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：采用压力变送器测量管道内壁相对静压来换算供风管道内气体前后的差压，经过测量点温度、压力补偿换算出流体质量流量的方式，通过工程化的实现，降低了成本，提高了飞机地面空调车的安全性及维护性，解决了飞机空调车对流量测量及控制的需求，有效地保障了飞机地面环控系统的正常运行。

附图说明

图1为本发明的供风系统管路构成简图；

图2为本发明的风量测控系统数据采集、控制系统图。

图中：1、低压采样软管；2、高压采用软管；3、一级蒸发器；4、供风管路；5、蒸发风机；6、二级蒸发器；7、三级蒸发器；8、送风管路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：参见图1和图2，一种飞机空调车供风测控系统，包括空气滤网、一级蒸发器3、二级蒸发器6、三级蒸发器7、供风管路4、送风管路8、蒸发风机5，还包括人机界面和测控核心单元的PLC控制单元，所述供风管路4靠近一级蒸发器3的一端设有两个低压采样软管1，在供风管路4靠近蒸发风机5的位置设有两个高压采用软管2，还设有与低压采样软管1和高压采用软管2信号连接的压力变送器，压力变送器通过模拟输入模块与PLC控制单元信号连接。

基于流体动力学能量守恒原理，常温常压下供风管路4内气体流动应遵循伯努利方程式：

$P+\mathrm{\ρgz}+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρv}}^2=C$    (式一)

式一中：P为静压力，ρ为流体密度，ν为流体流速，z为铅垂高度，C为常数。

同时，根据质量守恒原理，在同一时刻内空调车供风管路4通过的气体质量相等：

Q_m＝Q_v·ρ＝A·v·ρ   (式二)

式二中：Q_m为气体质量流量，Q_v为气体体积流量，ρ为气体密度，A为管道有效横截面积。

由此，就可以得出本系统供风管路4内标准状态下的体积流量关系式为：

$Q_{\mathrm{vn}}=K\sqrt{\frac{2\mathrm{\ΔP}}{{\mathrm{\ρ}}_n}}$    (式三)

其质量流量关系式为：

$Q_{\mathrm{mn}}=K\sqrt{{2\mathrm{\ΔP}}_n\·{\mathrm{\ρ}}_n}$    (式四)

其中， $K=\sqrt{\frac{A_1^2\·A_2^2}{A_2^2-A_1^2}}$    (式五)

式三和式四中：Q_mn为标况下的气体质量流量，Q_vn为标况下的气体体积流量，ΔP_n为标况下供风管道上下游管壁采样点的理论差压，ρ_n为标况下的气体密度。

式五中：A₁、A₂供风管道上下游管壁采样点有效横截面积。

气体密度的温压补偿

考虑到由于供风管道上下游采样点中间间隔了一级蒸发器3，因此在一级蒸发器3后管道内部流动气体的密度随温度及压力变化而变化，根据气态方程：

$\frac{p\·V}{Z}=\frac{n\·R\·T}{\mathrm{\μ}}$    (式六)

式六中：p为绝对压力，V为体积，Z为压缩系数，n为物质的量，R为普适气体常量，T为绝对温度，μ为分子量，C'为常数。

由此可以得出供风管道前后采样点不同温度、压力状态下气体的密度关系式：

$K^{\′}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2}=\frac{p_1\·T_2\·Z_2}{p_2\·T_1\·Z_{\text{1}}}$    (式七)

式七中：ρ₁、ρ₂分别为供风管道前后采样点的气体密度，T₁、T₂分别为供风管道前后采样点的气体热力学温度，p₁、p₂分别为供风管道前后采样点的绝对压力，Z₁、Z₂为气体压缩系数，在同段供风管道内可看作近似相等。

由一、式二、式七共同推导可以得出供风管道实际质量流量的补偿修正公式：

$Q_m=\sqrt{{2\mathrm{\ΔP\ρ}}_n}\·\sqrt{\frac{A_1^2{A}_2^2}{A_2^2-A_1^2{K}^{\′}}}\·\sqrt{\frac{p_1{T}_n}{T_1{p}_n}}$    (式八)

式八中：ρ_n为标况下的气体密度，T_n标况下的气体热力学温度，p_n为标况下的气体绝对压力，p₁为供风管道采样点的绝对压力，T₁为供风管道采样点的气体热力学温度，K'为供风管道前后采样点不同温度、压力状态下气体的密度比。

供风测控系统以PLC为测控核心单元，由高、低压采样软管1连接至压力变送器，变送输出4-20mA标准电流信号至信号采集模块，实现对供风管道上下游差压值进行实时数据采集，经PLC内部数学建模程序模块进行数据处理后，再由人机界面(HMI)实时显示风量的大小及变化趋势。同时，根据数据处理结果的变化趋势，基于Modbus-RTU协议，由PLC作主站经RS485自由通讯模块对蒸发风机5变频器进行速度控制，实时控制蒸发风机5转速，使其实际输出风量在规定时间保持在要求控制的设定值范围以内。

外部空气经过空气滤网过滤，进入“一级蒸发器3”冷却处理，经过供风管路4进入蒸发风机5，通过“二级蒸发器6”、“三级蒸发器7”调温、除湿处理后，由送风管路8送入飞机座舱及电子舱。

采用压力变送器测量管道内壁相对静压来换算供风管道内气体前后的差压，经过测量点温度、压力补偿换算出流体质量流量的方式，通过工程化的实现，降低了成本，提高了飞机地面空调车的安全性及维护性，解决了飞机空调车对流量测量及控制的需求，有效地保障了飞机地面环控系统的正常运行。

供风测控系统对测试点进行压力值和温度值的实时采集，通过数学模型建立的PLC程序进行运算和判断，得出实时的供风流量，并控制蒸发风机5转速，使得实际输出的供风流量在规定时间保持在设定值范围内。该系统经过长时间的稳定运行，证明可以较好的应用于飞机空调车上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种飞机空调车供风测控系统，包括空气滤网、一级蒸发器(3)、二级蒸发器(6)、三级蒸发器(7)、供风管路(4)、送风管路(8)、蒸发风机(5)，其特征在于：还包括人机界面和测控核心单元的PLC控制单元，所述供风管路(4)靠近一级蒸发器(3)的一端设有两个低压采样软管(1)，在供风管路(4)靠近蒸发风机(5)的位置设有两个高压采用软管(2)，还设有与低压采样软管(1)和高压采用软管(2)信号连接的压力变送器，压力变送器通过模拟输入模块与PLC控制单元信号连接。 

2.根据权利要求1所述的飞机空调车供风测控系统，其特征在于：流体动力学能量守恒原理，应遵循伯努利方程式： 

     (式一) 

根据质量守恒原理，在同一时刻内空调车供风管路(4)通过的气体质量相等： 

Q_m＝Q_v·ρ＝A·v·ρ     (式二) 

系统供风管路(4)内标准状态下的体积流量关系式为： 

     (式三) 

其质量流量关系式为： 

     (式四) 

其中，     (式五) 。

3.根据权利要求1所述的飞机空调车供风测控系统，其特征在于：所述气体密度的温压补偿： 

一级蒸发器(3)后管道内部流动气体的密度随温度及压力变化而变化，根据气态方程： 

     (式六) 

供风管道前后采样点不同温度、压力状态下气体的密度关系式： 

     (式七) 

由式一、式二、式七共同推导可以得出供风管道实际质量流量的补偿修正公式： 

     (式八) 

供风测控系统对测试点进行压力值和温度值的实时采集，通过数学模型建立的PLC程序进行运算和判断，得出实时的供风流量。