关于火箭发动机燃料流量测量的信号调理

美国宇航局的约翰C．斯坦尼斯航天中心已经对火箭发动机进行了40多年的测试。在斯坦尼斯进行的测试对美国太空计划至关重要。A和B试验复合体中配有60年代用来测试土星－v火箭发动机的垂直支架。在航天飞机时代，试验台用于测试航天飞机主发动机（SSME）。如今，该中心支持各种试验计划，包括为尖端的太空发射系统（SLS）测试发动机。本应用说明讨论了用于发动机燃油流量测量的信号调理解决方案。

为了产生推力，化学火箭发动机需要可燃燃料和氧化剂（如液氧）。精确测量发动机燃料／氧化剂消耗的速率量对于测量火箭的性能参数至关重要，例如比冲量：燃料质量消耗与每秒产生的推力之比。比冲量的测量决定有效载荷大小和任务燃料需求。

燃料管路中的涡轮流量计监测燃料／氧化剂的消耗。当流体流过叶片时，内部涡轮机转动，并且磁性拾取器产生电脉冲。流量计输出的脉冲频率与燃料和氧化剂到火箭发动机的体积流量成比例。

流量计信号通常在脉冲信号上具有过冲、振铃和噪声，这使得可靠的触发和频率测量非常困难。流量计内部的结构产生噪声，其频率成分高于和低于脉冲信号。从传感器到传感器的噪声成分的变化多样性对信号调理提出了新的和不断发展的挑战。

经过30年的服役，斯坦尼斯试验台的信号调理系统需要升级。原有系统故障率正在增加，维修成本很高，而且许多部件都是如此，不再可用。希望采用一套具有计算机程控设置的替代解决方案和一个可以进行现场自动校准的解决方案。

为了应对不断变化的流量测量挑战并降低系统设置、验证和维护成本，NASA选择了PFI公司的28000系统，其28524频／压转换器和28608B滤波器／放大器用于燃料流量监测系统的前端信号调理。

解决方案

PFI公司的28000系统支持混合信号的调理，用于应变、冲击、振动、频压转换和抗混叠滤波。如下面的通道方框图所示，燃油监控系统前端信号调理使用配有带通滤波器的28608B滤波／放大器卡来缓冲、放大和过滤流量计脉冲信号。带通滤波器功能可有效清除频率转换前的原始流量计信号谐波和噪声。因为每个滤波器的截止频率是独立设置的，可以改变带通响应的中心频率和带宽，以抑制因传感器而异的干扰信号和谐波。

PFI 28524频压转换卡可精确测量流量计信号的频率，并输出与频率成比例的精确直流电平。可以为每个通道独立编程直流输出范围，允许用户将直流输出调整到感兴趣的流量计频率范围。28524具有四个用于DC输出的平均时间常数，因此用户可以选择平滑或快速输出响应。

为了处理最困难的流量计信号，28524卡具有可配置的触发器。可编程触发极性（正或负）、触发保持（以秒为单位）和触发电平设置允许可靠地测量具有振铃、过冲、交叉失真或毛刺的信号的频率。

图1：可编程触发阈值设置在毛刺上方

图1显示了实际流量计的信号。展现了预期的周期性波形，在每个信号周期的中间存在毛刺，其在周期与周期之间略有变化。这些毛刺处于零点附近，因毛刺带有附加的上升沿和下降沿，从而容易导致误触发。

提供可靠触发的一种方法是将28524触发点设置在信号周期中的毛刺点之上或之下，如图1中的红线所示。

另一种方法是触发延时功能，如图2所示。触发电路在延迟时间内被禁用以忽略假的边沿信号。

NASA斯坦尼斯流量计信号调理器的通道框图

解决方案亮点

＊ 可扩展的通用调理解决方案，用一台高密度机箱实现，支持各种传感器类型。

＊ 程控带通滤波降低了流量计信号的带外噪声。

＊ 频率／直流电压转换器可靠地测量流量计脉冲输出，以确定燃料／氧化剂体积流量。

＊ 28000 FAT提供在测试现场全自动的NIST可溯源的校准测试。

＊ 28000 Go／No－Go测试功能提供信号调理设置的自动验证。

美国宇航局斯坦尼斯的火箭发动机测试

系统自检和校准

PFI的内置测试功能使用户可以执行NIST可追溯的校准测试，无需从设备机架中移除系统，从而节省了NASA数小时的预测试手动验证。执行每个卡功能，测量所有数据关键性能特征，并与已发布的参数指标进行比较。

Go／No－Go测试可以快速验证每个通道的运行时设置。通道设置包括增益、滤波器设置、DC偏移和噪声电平，可以快速测量、验证和报告，从而证明设备运行正常。

用于火箭发动机燃料流量测试的PFI设备

28016信号调理系统，带28000测试子系统

28608B滤波放大器卡

28524频压转换卡

28000图形用户界面（GUI）