飛機燃油液位測量方法綜述

李大成/海裝裝備采購中心

飛機燃油液位測量方法綜述

李大成/海裝裝備采購中心

【摘 要】長期以來，廣大工程技術(shù)與研究人員一直致力于提高飛機燃油系統(tǒng)的測量精度，研制出了許多基于機械、振動、超聲波、電磁、電、光、輻射等原理的液位傳感器，本文主要對各種不同的燃油測量方法進行介紹。

【關(guān)鍵詞】燃油；傳感器；測量

飛機油量測量系統(tǒng)是指在地面和飛行狀態(tài)下，連續(xù)測量和指示飛機可用燃油質(zhì)量的系統(tǒng)，它比普通情況下的油量測量更為復雜。首先由于飛機上空間十分寶貴，必須盡可能提高空間利用率，因此飛機上油箱的形狀都不太規(guī)則，必須通過較為復雜的計算將液位高度轉(zhuǎn)換成燃油體積；其次飛機在飛行過程中姿態(tài)經(jīng)常發(fā)生變化，從而引起油面的傾斜，給燃油體積的測量結(jié)果帶來誤差，因此必須進行姿態(tài)誤差補償；再次燃油的密度受產(chǎn)地、溫度、壓力等因素影響，這些因素的變化會導致燃油體積發(fā)生變化，從而給燃油質(zhì)量的計算帶來誤差，因此必須進行燃油密度補償。燃油系統(tǒng)先通過油位傳感器測量液位高度，再根據(jù)油箱的形狀參數(shù)和飛機飛行的姿態(tài)參數(shù)綜合計算出燃油的體積，最后再乘以燃油密度傳感器的測量結(jié)果從而得到燃油質(zhì)量。在以上過程中，燃油液位的精確測量是燃油量精確測量的先決條件，因而提高燃油液位傳感器的精度和性能對于提高飛機燃油測量系統(tǒng)的性能有著重要意義。

長期以來，廣大工程技術(shù)與研究人員一直致力于提高飛機燃油系統(tǒng)的測量精度，并對各種測量方法進行了嘗試，研制出了許多基于機械、振動、超聲波、電磁、電、光、輻射等原理的液位傳感器，但是由于飛機油量測量的復雜性、實現(xiàn)難度和制造成本等方面的因素，只有少數(shù)測量方法得到了應用。

早期的飛機上使用浮子式傳感器進行液位測量，而在有些比較簡陋的飛機上甚至只在起飛之前使用油尺測量油箱中的油量，在飛行過程中則依賴飛行員的經(jīng)驗來判斷油箱中的剩余油量；二戰(zhàn)以后，飛機上大量采用電容式油量測量技術(shù)，并在最近二三十年間對電容式傳感器進行數(shù)字化，提高了傳感器的性能及可靠性；近年來，國外航空界對超聲波式傳感器進行研究，并將其用于飛機油量測量，但并沒有取得很好的效果，因此工程技術(shù)人員仍在尋求電容式傳感器的其他替代技術(shù)。下面將就飛機燃油液位測量技術(shù)的應用現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢進行簡要介紹。

1.油尺

在一些簡陋的飛機上，曾經(jīng)使用過油尺來檢測飛機在地面加油過程中以及起飛前的油量，這種測量方法是在其他測量方法失效時的唯一可信賴的測量方法。現(xiàn)在人們一般使用磁性浮子油尺，使用時，松開油尺的卡鎖機構(gòu)，使油尺在重力的作用下下墜，當油尺在浮力的作用下停止時，讀取油尺上的刻度，即可得到油箱中的油量。油尺是最原始、簡單、可靠的油位測量手段，但是不能實現(xiàn)實時測量，也不能通過數(shù)據(jù)總線將油量數(shù)據(jù)提供給飛行控制系統(tǒng)，因此無法實現(xiàn)其智能化。

2.浮子式油位傳感器

早期的飛機上曾經(jīng)用過浮子式油位傳感器。它是利用燃油的浮力來改變浮子的位置，并帶動電刷來改變電橋的橋臂阻值，對電橋的輸出進行測量即可得到液位。浮子式傳感器具有原理簡單、成本低等特點，但其測量范圍小，指示誤差大，容易發(fā)生故障，現(xiàn)在只在一些舊型飛機和小型飛機上使用。

近年來，人們對浮子式油位傳感器進行了改進，又提出了磁致伸縮式液位傳感器。磁致伸縮式傳感器利用磁性浮子來感受液位變化。測量時，液位計頭部發(fā)出低電流“詢問”脈沖，該電流產(chǎn)生的磁場沿波導管向下傳導。當電流磁場與浮子磁場相遇時，產(chǎn)生“返回”脈沖（也稱“波導扭曲”脈沖）。詢問脈沖與返回脈沖之間的時間差即對應油水界面和油氣界面的高度。其優(yōu)點是測量精度高，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高,抗干擾能力強，抗污染、抗振等性能均良好。但仍然不適合于飛機燃油液位測量，原因是在該傳感器中仍然存在可動部件——磁性浮子，由于飛機飛行過程中油箱晃動十分劇烈，磁性浮子不可避免的要與軸發(fā)生接觸和摩擦，這樣磁性浮子在飛機處于某些姿態(tài)時就有可能“粘”在軸上，無法回到正常液位。這種可靠性方面的問題限制了磁致伸縮式傳感器在飛機上的應用。

3.電容式油位傳感器

二戰(zhàn)以后，電容式油量測量技術(shù)開始在飛機上大量采用。從上世紀70年代開始，美、英、德、法、日等國相繼開始研究數(shù)字式電容式傳感器，采用雙余度的計算機，使用線性電容式傳感器測量油位，利用放射性元素Am241作放射源直接測量燃油密度，并通過飛機姿態(tài)傳感器的測量結(jié)果和油箱的形狀來綜合計算油箱中的剩余油量。由于其具有獨特的優(yōu)勢，目前商用和軍用飛機仍然選用傳統(tǒng)的電容式傳感器，例如在波音公司的B787客機，空中客車公司的A380客機、A350超寬體客機以及洛克希德.馬丁公司的F35戰(zhàn)斗機全部都將電容式測量作為燃油量測量的首選技術(shù)。

圖1 電容式油位傳感器原理圖

電容式油位傳感器是利用燃油與空氣的介電常數(shù)的不同進行液位測量的。如圖1所示，在一個總高度為h，液面高度為x，內(nèi)電極半徑為R1，外電極半徑為R2的同心圓柱形電容器中，傳感器的總電容為

其中ε1為被測燃油介電常數(shù)，ε0為真空介電常數(shù)。由式1.1可知，輸出電容與燃油液面高度變化x成線性關(guān)系。

早期的電容式傳感器為模擬式傳感器，它采用自平衡式測量電路將對應于燃油油量的電容量轉(zhuǎn)換為儀表盤中指針的轉(zhuǎn)角。為了克服“邊緣效應”（在電容電極邊緣處，電場線不再垂直于極板，因此在此處電容值不再與液位成線性關(guān)系），同時使被測液位與油量值成線性關(guān)系（為了充分利用飛機的內(nèi)部空間，油箱被設計成與機體、機翼形狀相關(guān)的不規(guī)則體，而不是規(guī)則的柱狀體），模擬式傳感器中的內(nèi)電極管被制成與油箱形狀有關(guān)的成型剖面，同時通過增加傳感器數(shù)量和采用補償傳感器（補償因燃油密度和溫度變化而引起的燃油介電常數(shù)的變化）等方法來提高燃油測量精度。但是由于飛行中油箱姿態(tài)隨時可能發(fā)生改變，導致傳感器浸沒長度發(fā)生變化從而引起姿態(tài)誤差，同時燃油密度會隨著產(chǎn)地、溫度、氣壓的改變而發(fā)生變化，而燃油測量系統(tǒng)卻無法直接對密度進行測量，因此電容式傳感器測量精度較低，。此外由于傳感器需要進行非線性補償，致使傳感器的制造工藝相當復雜，系統(tǒng)的標定與校準過程也十分費時，顯然無法滿足新一代飛機的性能需求。

相比模擬式傳感器而言，數(shù)字式電容傳感器在精度和可靠性方面有了很大的提高，但仍無法克服電容式傳感器的一些固有缺陷。比如說標定校準困難、連接線復雜、水污染等等。

以上這些因素影響了電容式傳感器的性能和可維修性，并且在目前技術(shù)條件下尚無法克服電容式傳感器的這些缺點。由于電容式傳感器是目前飛機上最主要的液位傳感器，因此研究電容式傳感器的替代技術(shù)對于飛機燃油測量系統(tǒng)性能的提高具有重要意義。

4.流量式燃油油量傳感器

在一般飛機燃油檢測過程中，流量式油量傳感器由于存在累積誤差而經(jīng)常作為電容式液位傳感器的補充。即用渦輪式流量測量系統(tǒng)測量總油量，用電容式油量測量系統(tǒng)測量單個供油箱的油量。

流量式油量傳感器并不直接對油箱中的油位或油量進行測量，而是安裝在主供油管路上，對發(fā)動機的耗油量進行測量，并根據(jù)飛機起飛時的總載油量推算出油箱中的剩余油量。流量式傳感器主要有容積式渦輪流量傳感器和質(zhì)量式渦輪流量傳感器兩種。

容積式渦輪流量傳感器是一種與流過的燃油體積流量成正比的電信號轉(zhuǎn)換器。當燃油流經(jīng)傳感器時，傳感器中的葉輪在燃油的帶動下以某種轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，并通過磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、磁開關(guān)結(jié)構(gòu)或磁阻等原理轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號。在測量中，對單位時間內(nèi)的電脈沖數(shù)進行計數(shù)，即可得到燃油的實時體積流量；同時將起飛后的體積流量對時間進行積分，再乘以給定的密度值，即可得到當前已消耗的燃油油量；最后用飛機的總載油量減去累計總耗量，從而得出飛機中的剩余油量，其計算公式為

式中mrem為飛機油箱中剩余油量，單位為kg；mus為起飛前飛機油箱中的可用油量，單位為kg；N為電脈沖數(shù)；B為換算系數(shù)，對應于1m3燃油流經(jīng)傳感器所產(chǎn)生的脈沖數(shù)；ρf為給定的燃油密度，單位為kg/m3。由于飛機油箱內(nèi)燃油溫度是隨飛行狀態(tài)和氣候變化的，而燃油密度又是隨溫度變化的，因此容積式渦輪流量傳感器存在誤差，必須對燃油密度進行實時修正。

對于燃油溫度變化較大的油量測量系統(tǒng)而言，采用質(zhì)量式渦輪流量傳感器具有更高的測量精度。質(zhì)量式渦輪流量傳感器的工作原理是根據(jù)牛頓定律，通過給流過傳感器的燃油流體施加角速度所需的力矩來度量燃油的質(zhì)量流量的，流量計算公式如下

式中Mf為燃油的慣性力矩，單位為N?m；qf為燃油的質(zhì)量流量，單位為kg/s；ωf為燃油的旋轉(zhuǎn)角速度，單位為1/s；Rav為葉輪在縱向通道內(nèi)的平均半徑，單位為m；K為常系數(shù)，單位為1/m2。

影響渦輪式流量傳感器測量精度的主要因素有小流量誤差、溫度誤差和位置誤差。由于飛機發(fā)動機由慢車狀態(tài)加速到全加力狀態(tài)過程中的耗油量在很大范圍內(nèi)變化，因此流量傳感器在偏離設計流量時誤差增加，特別是在小流量狀態(tài)下。燃油黏度變化對測量精度也有影響，對燃油溫度變化較大的高速飛機，燃油黏度變化較大，黏度低的燃油流中速度分布比黏度高的燃油流中的更均勻，誤差也更小。渦輪式流量傳感器安裝在在水平位置（傳感器軸線平行于加速度矢量）或垂直位置（傳感器軸線垂直于加速度方向）一般不影響測量精度，但對于高速飛機，由于加速度大，對于水平安裝的傳感器，其軸向力大，因而誤差也大。

5.超聲波式燃油液位傳感器

超聲波傳感器是目前在飛機燃油測量中得到應用的唯一的新技術(shù)。波音公司的B777客機和洛克希德.馬丁公司的F22猛禽戰(zhàn)斗機率先采用超聲波式傳感器進行燃油測量，但是在使用過程中超聲波式傳感器出現(xiàn)了一些可靠性方面的問題，因此該方法還沒有得到實質(zhì)性推廣。

圖2 超聲波式液位傳感器工作原理

圖3 泄露模式光纖液位傳感器原理圖

超聲波式傳感器利用超聲波在不同密度介質(zhì)分界面上產(chǎn)生反射的特性進行液位測量，其原理如圖2所示。傳感器由聲速計和探頭組成，在聲速計和探頭的底部都裝有超聲波發(fā)生器，發(fā)出的超聲波在遇到反射體和燃油-空氣界面后會被反射回油桶底部并被接收器接收到；聲速計中聲波至目標體的往返時間為TT，探頭中聲波至油面的往返時間為TS，D為發(fā)射器離目標體的已知距離，L為發(fā)射器離油面的位置距離。通過聲速計可測得燃油中的聲速為

這樣可以通過聲速來計算油箱底部距離油面的距離

將式1.4代入式1.5即可得到液位數(shù)據(jù)

這樣根據(jù)測得的超聲波脈沖信號的反射時間、油箱的液位-油量曲線，以及與燃油密度相對應的聲速數(shù)據(jù)，經(jīng)微處理器處理和計算便可獲得油箱中的油量。

與電容式傳感器相比，超聲波傳感器測量精度更高，可達±0.2%；在油箱內(nèi)部沒有電器件，安全性能高，抗電磁干擾能力強，外部接線也較為簡單；抗污染能力強，因為超聲波本身就具有清洗作用。但超聲波傳感器也存在一些缺點：盲區(qū)、姿態(tài)誤差以及泡和油-水界面反射等等。考慮到由于飛機飛行過程中油箱晃動十分劇烈，可能會造成一定的姿態(tài)誤差，以及它所存在的盲區(qū)等因素，限制了超聲波式燃油液位傳感器在飛機上的應用。

6.電阻式油量傳感器

電阻式油量傳感器一般用來判斷特定點的油位情況。由于飛機燃油油面晃動程度劇烈，因此該方法在測量飛機燃油液位上還沒有得到推廣應用。電阻式液位測量的敏感元件是熱敏電阻。熱敏電阻采用半導體材料制成，具有耗散特性，可以將溫度的變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化。將傳感器的敏感元件安置在某一特定的液位高度，當液位上升或下降至預定高度時，由于熱敏電阻器件浸入或露出液面，從而改變了其電阻值的大小。這樣，通過檢測電阻值的變化，便可以探測在某一點高度的液位情況。熱敏電阻易于安裝，耐腐蝕、耐磨損，抗震性能好，耐沖擊，使用壽命較長，但是熱敏電阻的阻值也會隨著溫度變化而變化，所以要進行精確的液位測量，還需要對液體溫度進行一定的控制。

7.放射性液位傳感器

放射性液位傳感器雖然不能夠用來檢測飛機燃油，但對于一般要求不是很高的場合還是比較實用的。放射性液位傳感器是通過檢測具有放射性同位素射線α射線、β射線、γ射線的穿透和反射信號的強度來達到探測液位信息的目的。其中，γ射線的穿透力強，射程遠，故在核輻射液位測量中廣泛采用。實驗證明，穿過物質(zhì)前后γ射線強度會發(fā)生變化。在放射線輻射源與檢測器之間有吸收物質(zhì)時，由于射線強度會隨液位高度而改變，而檢測器的輸出與液位高度相關(guān)，通過檢測被吸收的能量大小，即可得出被測液位高度的信息。這種傳感器的測量原理使得它適用于易燃易爆，具有腐蝕性和毒性的測量環(huán)境。但是由于射線容易衰減，會導致測量的精確度不夠，還有危害人體健康的危險。

8.光纖液位傳感器

近年來，隨著光纖傳感技術(shù)和光電子技術(shù)的發(fā)展，已研制出各種形式的光纖傳感器。與傳統(tǒng)傳感器相比，光纖傳感器靈敏度高，抗電磁干擾能力強，耐高壓，耐腐蝕，質(zhì)量輕，體積小，便于與計算機相連接，響應速度快，特別是其本質(zhì)安全性使其在易燃易爆環(huán)境下仍然能夠安全使用。光纖傳感器的這些特點，使其非常適合于飛機燃油液位測量。

這類測量系統(tǒng)一般還具有體積小、重量輕、無動作部件、安裝方便等優(yōu)點，大多可適用于任何液位的測量與控制，特別適用于有腐蝕性的液體液位測量，精度很高?；诠饫w傳感器的液位測量主要有以下幾種方法。

8.1泄漏模式螺旋形光纖液位傳感器

泄漏模式光纖液位傳感的原理如圖3所示。通過液位的變化，引起光纖泄漏模的變化，從而導致光強度發(fā)生變化來實現(xiàn)液位的測量。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、成本低，沒有可動部件，抗干擾能力強。雖然目前尚無可工業(yè)化應用的側(cè)面泄漏式光纖液位傳感器，但它的這些特點使其十分適合于飛機燃油液位測量。

8.2遮光式光纖液位傳感器

遮光式光纖液位傳感器利用了傳統(tǒng)的浮子式液位計的原理，加上光纖傳光系統(tǒng)組成。如圖4所示，由光源發(fā)出的光，經(jīng)光纖傳送到遮光轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤上均勻分布著一系列光窗，光窗位置的設計與液面高度相關(guān)。當液面高度變化時，浮子帶動遮光盤旋轉(zhuǎn)，測出通過遮光盤的光脈沖數(shù)目即可知道液面升高或降低的相對高度。它具有結(jié)構(gòu)簡單，容易實施等優(yōu)點，但是缺點精度不高，且只能測出液面的相對高度，系統(tǒng)體積也較大。對于測量飛機燃油液位來說，該傳感器利用了傳統(tǒng)浮子式液位計的原理，對油面晃動比較敏感，因此不太適合測量飛機燃油。

圖4　遮光式光纖液位傳感器原理圖

8.3磁式光纖液位傳感器

磁式光纖液位傳感系統(tǒng)如圖5所示，主要由導柱、浮體、液位探測器三部分組成。其原理圖中(1)表示遮光片，(2)表示浮體，(3)表示探測裝置，(4)表示彈簧片，(5)表示導柱，(6)表示光纖孔，(7、8)表示永久磁鐵。導柱嵌裝有等距排列的永久磁鐵，永久磁鐵磁極交替排列。導柱兩端分別固定在夾持件的兩端，主要作為磁性刻度尺和浮體升降的導軌使用。浮體為中空的圓環(huán)殼體，套裝在磁性導柱上，并漂浮在液體的表面，隨著液面沿著導柱上下移動。當浮體沿著導柱上下移動時，浮體內(nèi)磁鐵將受到導軌上交替排列的磁鐵反復吸引、排斥，導致固定要彈簧片下端的遮光片也隨之左右移動，反復遮擋兩根相對位置的光纖。記錄光纖的通斷次數(shù)，就可以算出浮體移動的距離;即測得液面高度。該測量方法精度較高，但是體積較大，裝置過于復雜，用來測量飛機燃油液位還需改進。

8.4液面反射式光纖液位傳感器

反射式光纖傳感器是強度調(diào)制型的，原圖如圖6所示。平面反射鏡(液面)垂直于輸入和輸出光纖的光軸，當反射器前后移動時，耦合進輸出光纖內(nèi)的光功率就會發(fā)生變化。在平面鏡之后距離為D的位置上形成了一個輸入光纖的虛像。因而，確定調(diào)制器響應的問題可以等效于計算虛光纖與輸出光纖之間的耦合。通過從液體表面反射又被光纖接收的光強信號的變化來探測液面的位移。這種測量方法能夠得到較高的精度，但是光纖和透鏡的位置對于精度有很大的影響。對于飛機晃動的油面來說，這種測量方法也不太適合。

圖6 反射式光纖液位傳感器原理圖

8.5壓力式光纖液位傳感器

壓力式光纖液位傳感器主要這是利用壓力使光纖變形, 進而影響光纖中傳輸光強度的一種液壓型光纖液位傳感器。光纖壓力傳感器一般被置于被測液體容器的底部，根據(jù)所測壓力的大小即可算出相應的液位。壓力式光纖液位傳感器的原理如圖7所示。傳感探頭由應力微彎變形調(diào)制器和傳輸光纖構(gòu)成, 位于測量管底部。由光源發(fā)出的光經(jīng)過擴束鏡, 會聚注入多模光纖。包層中的非引導模由脫模器去掉, 然后進入微彎變形器。當傳感器探頭置于液體中后, 變形器受到大氣壓與液體壓力的作用,從而使光纖的微彎程度產(chǎn)生變化, 影響光纖的傳輸功率, 不同液面高度對變形器產(chǎn)生不同壓力, 與之對應可以得到不同的光纖傳輸功率, 通過探測器測出其變化就可以得出液面的高度。壓力式光纖液位傳感器可能是目前最成功的光纖液位傳感器，特別是布拉格光柵式傳感器具有很高的測量精度，已經(jīng)在海洋深度測量、油罐液位測量等領(lǐng)域獲得了廣泛應用。但是應用到飛機油箱液位測量上，還需要做出改進。

圖7 壓力式光纖液位傳感器原理圖

綜上所述，與傳統(tǒng)傳感器相比，光纖液位傳感器由于其獨特的材料結(jié)構(gòu)，具有靈敏度高，抗電磁干擾能力強，耐高壓，耐腐蝕，質(zhì)量輕，體積小，便于與計算機相連接，響應速度快等優(yōu)點，特別是其本質(zhì)安全性使其在易燃易爆環(huán)境下仍然能夠安全使用。光纖傳感器的這些特點，使其比一般材料結(jié)構(gòu)液位傳感器更適合于飛機燃油液位測量。