一．需求分析

根据压力测量系统的测试需求，系统使用的工况环境温度-55℃~+100℃，压力测量通道共768个，不同量程的通道分别为：±5psi共64通道，±15psi共256通道，50psi共128通道，100psi共64通道，250psi共128通道，500psi共64通道，750psi共64通道，共768通道。

二．方案介绍

根据量程分布的特点，我们采用FDS（Flight Data System）系统结合8台DTC-64HD，及16台NetScanner System 9216来完成整体的压力测量，系统整体测试精度±0.05%FS。

由于使用工况的温度跨度较大，在低温-55℃下要保证设备能正常运行，我们对FDS系统，9216系统，DTC-64HD分别采用特制加热槽结合隔热材料组合的温控单元来实现高低温环境的正常工作。详细描述在第三节和第四节。

三．FDS(Flight Data System)系统

FDS(Flight Data System)系统是一套集成了双数据处理器和控制单元的系统，系统将模拟电路设计与数字温度补偿（DTC）技术集成在一起，使得产品无需在线全量程校准即可保持最佳精度。FDS系统可连接8台ESP压力扫描器，实现512通道的压力测量。FDS 系统主机采用先进的架构，集成了双嵌入式微处理器和创新的扫描器寻址逻辑，该设计实现了电子压力扫描器所提供的最大吞吐量需求。

在意外重新上电时，“Live@Power up”模式可利用存储的扫描仪配置自动返回到数据采集模式，大大减少初始化时间，系统采集的工程数据包通过UDP数据报文直接传输到用户的数据记录硬件或主机上。

开关闭合后的自动校零技术和数字温度补偿技术最大程度地降低了零点漂移和温度误差。

系统配套软件PSI Utility Software允许用户进行参数配置，系统校准，获取数据，记录数据，分析数据等，还提供了方便的程序开发支持，允许用户发送和接收特定编程命令等。

系统操作所需的连接极为简单，使用9IFC模块和9082电缆连接到FDS Initium主机，为电源调节、硬件触发和以太网通信提供了便利的接口。与ESP压力扫描器的电气连接是使用PSCB电缆实现的，典型的系统连接框图如图1所示。

图1  FDS系统配置示例

3.1 FDS Initium系统主机

FDS Initium主机支持 512 个压力通道；测试精度为±0.05%FS；测量分辨率为0.003% FS；系统测试总热误差±0.002%FS/℃，当8个通道全部连接ESP-32HD扫描器时采样频率为650Hz/通道；主机工作温度范围为0到70℃，主机储存温度范围为0到80℃；自动设定10/100 Base-T 以太网接口；A/D分辨率为18 bits；尺寸301.5mm×133.3mm×92mm（长×宽×高），重量3.63千克。

FDS主机温控单元可保证主机能在-55℃至100℃的温度范围内正常工作。

图2  FDS Flight Data System 系统

3.2 ESP-64HD微型压力扫描器

ESP-64HD微型电子压力扫描器模块，由一系列硅压阻式压力传感器组成。配套的传感器采用专利技术安装在普通的混合陶瓷基板上，可最大限度地提高长期稳定性。扫描器上的每个压力传感器均单独配备一个温度传感器，感压方式为差压，并且具备校准和运行两种工作模式。

ESP-64HD压力扫描器支持64个压力输入通道；扫描速率为70,000 Hz；扫描器工作温度为-25℃~+80℃（100℃可选），储存温度为-25℃~+100℃；重量为143g；具有数字温度补偿功能；带吹除功能；扫描器外形尺寸为长80mm，宽33mm，高28.6mm。

本方案采用量程为±5psid的DTC-64HD 1台，-12psid~+15psid的DTC-64HD 4台，50psid的DTC-64HD 2台，100psid的DTC-64HD 1台，共计8台，512通道。

图3  ESP-64HD微型压力扫描器

3.3 扫描器加热器单元

ESP Heater Chambers是针对低温使用环境配套的加热器单元，它可以有效保证ESP处于-25℃~+80℃的工作温度范围内，最低可适用于-55℃，可以将温度对ESP压力扫描器（非DTC系列ESP）的影响降低10倍，工厂默认设定温度为40℃，用户可根据工况需求在0℃~+80℃范围内自行设定预期的温度，内部热过载保护电路保证加热器不会超温。

加热器供电28VDC，最大工作电流1.5A，两线制供电。加热器尺寸：ESP-64HD的加热器尺寸：长115.57mm×宽43.18mm×高49.53mm，重量192克。

图4 ESP加热器单元

3.4 FDS-HCU主机加热控制单元

FDS主机加热温控单元FDS-HCU（Heater Contol Unit）采用重量轻，绝缘性好的聚甲醛树脂外壳，内部加热槽与相变储能材料+复合隔热材料几部分组成。

这种储热+隔热结合的方案在低温环境下，会执行储热材料释放热量+隔热材料保存热量的过程；在高温环境下，会执行隔热材料隔离外热+储热材料吸收热量的过程。

在环境温度持续降低（-55℃）且系统不供电的情况下，首先，当FDS-HCU内部温度低于相变储热材料的相变点时，相变材料开始释放热量，减缓控制单元内的温度降低趋势，其次，复合隔热材料会有效隔离加热单元内部与外部环境的热辐射和热对流，大大减缓热传导过程，保证在一定时间内（6小时）FDS-HCU内部温度变化梯度保持在合理范围，不会因为环境低温而导致设备无法使用。

当系统处于高温环境中（100℃），首先，复合隔热材料会效隔离加热单元内部与外部环境的热辐射和热对流，大大减缓热传导过程，其次，如果FDS-HCU内部温度高于相变储热材料的相变点时，相变材料开始吸收热量，减缓控制单元内的温度升高趋势，这两个过程会有效保证在一定时间内（8小时）FDS-HCU内部温度变化梯度保持在合理范围，保证设备的正常工作。

在给FDS-HCU加热控制单元提供电源的情况先，当环境温度持续降低，加热控制单元内的温度低于预设温度时加热槽启动加热（预设温度点可调），当加热槽内温度达到预设温度后，停止加热，相变材料和隔热材料能有效保证温度的缓慢变化。在低温环境中，每次使用FDS主机之前先对FDS-HCU进行预热10分钟，然后再开始进行压力测量的操作。

FDS-HCU主机加热控制单元采用28VDC供电，最大工作电流1.8A，两线制供电，结构图如图5所示，温控单元尺寸：长400mm×宽160mm×高160mm。

图5 FDS主机加热控制单元结构图

3.5 扫描器接口

9IFC扫描器接口为FDS Initium主机提供电源和通信，为用户提供直流电源和硬件触发输入，以及用于全双工TCP/UDP通信的以太网接口。输入电压为220VAC；10/100 Base-T 以太网接口；硬件触发接口选项；尺寸88.9×88.9×50.8mm（长×宽×高）。

图5 9IFC扫描器接口

3.6 接口连接器

接口连接器9082线缆是FDS Initium数据采集系统专用电缆，用于连接9IFC和FDS主机，可以完成测量系统的电源供给、通信和数据传输，接口选用圆形航空插头。9082 Cable电缆可以根据需求定制不同的长度，最长可选100米。

图6  接口连接器9082线缆

3.7 扫描器电缆

PSCB扫描器电缆用于FDS Initium主机与ESP压力扫描器连接，采用螺钉锁紧方式紧固，接口选用微型DB15连接器，线缆材料选用低噪声屏蔽电缆，实现信息数据的有效传输，线缆绝缘层采用耐高低温的Teflon（特氟龙）材质，保证在-55℃-150℃环境范围下线缆的绝缘性，韧性和强度；PSCB Cable可以根据需求定制长度，最小1英尺，最大150英尺（45米）。

图7  PSCB扫描器电缆

3.8系统配套软件与驱动

PSI Utility Software是一个基于Windows的应用程序，包括参数配置，系统校准，采集数据，记录数据，分析数据等，还提供了方便的程序开发支持，允许用户发送和接收特定编程指令等，为用户提供诊断和验证等其他应用程序例程。系统可进行初始化自定义操作，并可进行连续数据采集，实现实时数值显示，数据可以用csv格式记录，以便在Excel或其他软件中进行分析和处理。

图8 PSI Utility Software软件操作界面

四.9216 型电子压力扫描阀 

9216型电子压力扫描阀将16个采用了最新微处理器技术的硅压阻式压力传感器集成在一个紧凑、坚固耐用的封装内。 每个压力传感器都包括一个温度传感器和 EEPROM，用于存储校准数据以及传感器标识信息，微处理器使用 EEPROM内的数据来校正传感器偏移、量程、线性度和热误差。数字温度补偿算法可将传感器热误差降低10倍或更多。

图9给出了多台9216同时连接时的系统架构配置示例，系统操作所需的连接极为简单，用户可以使用90DB模块获得电源，该模块通过9082 Cable电缆连接到9216，为电源调节、硬件触发器和以太网通信提供了便利的接口。

4.1 9216 型电子压力扫描阀

9216 型电子压力扫描阀支持16 个压力通道；系统测量精度（包括非线性、迟滞、重复性误差）为±0.05% FS；系统测试稳定性为±0.05% FS；每通道采样率可调，最大为 500 Hz；主机工作温度为-30到80℃，主机储存温度为-30到80℃；自动设定 10/100 Base-T 以太网接口；支持TCP/IP、UDP协议；指令触发、外部触发（TTL电平）、定时触发，支持PTP时间同步协议；防护等级为IP66；输入电压为18~36V DC；外形尺寸为241.3 mm×88.9 mm×89.92 mm。

本方案采用选用量程为250psid的9216模块8台，共128通道；量程为500psid的9216模块4台，共64通道；量程为750psi的9216模块4台，共64通道；合计16台9216，共256通道。

图9 9216电子压力扫描阀

4.2 9216-HCU加热控制单元

9216压力扫描阀加热温控单元9216-HCU（Heater Contol Unit）采用重量轻，绝缘性好的聚甲醛树脂外壳，内部加热槽与相变储能材料+复合隔热材料几部分组成。

这种储热+隔热结合的方案在低温环境下，会执行储热材料释放热量+隔热材料保存热量的过程；在高温环境下，会执行隔热材料隔离外热+储热材料吸收热量的过程。

在环境温度持续降低（-55℃）且系统不供电的情况下，首先，当9216-HCU内部温度低于相变储热材料的相变点时，相变材料开始释放热量，减缓控制单元内的温度降低趋势，其次，复合隔热材料会有效隔离加热单元内部与外部环境的热辐射和热对流，大大减缓热传导过程，保证在一定时间内（6小时）9216-HCU内部温度变化梯度保持在合理范围，不会因为环境低温而导致设备无法使用。

当系统处于高温环境中（100℃），首先，复合隔热材料会效隔离加热单元内部与外部环境的热辐射和热对流，大大减缓热传导过程，其次，如果9216-HCU内部温度高于相变储热材料的相变点时，相变材料开始吸收热量，减缓控制单元内的温度升高趋势，这两个过程会有效保证在一定时间内（8小时）9216-HCU内部温度变化梯度保持在合理范围，保证设备的正常工作。

在给9216-HCU加热控制单元提供电源的情况先，当环境温度持续降低，加热控制单元内的温度低于预设温度时加热槽启动加热（预设温度点可调），当加热槽内温度达到预设温度后，停止加热，相变材料和隔热材料能有效保证温度的缓慢变化。在低温环境中，每次使用9216压力扫描阀之前先对9216-HCU进行预热10分钟，然后再开始进行压力测量的操作。

9216-HCU主机加热控制单元28VDC供电，最大工作电流1.8A，两线制供电，结构图如图12所示，温控单元尺寸：长350mm×宽130mm×高160mm。

图10 9216加热控制单元结构图

       五.压力测量系统附件及系统配置

TE公司为压力测量系统制造的一系列气动附件，可以满足不同的压力测量需求，与ESP系列压力扫描器和FDS数据采集系统，及9216电子扫描阀系统兼容。包括一些内容：

1、0.040英寸管径尼龙管，500英尺/每卷，10卷

2、0.063英寸管径尼龙管，500英尺/每卷，10卷

3、0.040英寸固定弹簧，500个/包，5包

4、0.063英寸固定弹簧，500个/包，5包

5、0.090英寸固定弹簧，50个/包，10包

6、0.125英寸尼龙吹扫管，500英尺/卷，1卷

7、1/8”压缩管接头尼龙管 ，250英尺/每卷，3卷

8、1/4”压缩管接头尼龙管 ，500英尺/每卷，3卷

9、0.040到0.063英寸变径器，30个

10、0.040英寸管径T型连接器，20个

11、0.040英寸管径交叉连接器，20个

12、0.040英寸管径8通连接器，20个

13、0.063英寸管径T型连接器，20个

14、0.063英寸管径交叉连接器，20个

15、0.063英寸管径8通连接器，20个

16、管钳安装工具，3个

图11 压力扫描系统附件