飛機(jī)燃油油位測量方法的研究

陸文俊

【摘 要】本文主要對(duì)飛機(jī)燃油油位的檢測方法進(jìn)行了深入的研究，先分析了國內(nèi)外油位測量的現(xiàn)狀，再對(duì)幾種常見的測量方法進(jìn)行分析比較。根據(jù)適航和可靠性的要求，對(duì)當(dāng)下國內(nèi)大飛機(jī)燃油系統(tǒng)的油位測量提出了較為適合的檢測方法。最后，對(duì)未來油位測量方法進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】油位檢測；電容傳感器；超聲波傳感器

0 引言

飛機(jī)燃油油量測量系統(tǒng)的、可靠性、精確度、靈敏度、維護(hù)性對(duì)整體飛機(jī)性能而言有著舉足輕重的作用。其中，飛機(jī)燃油油位的測量是飛機(jī)燃油測量系統(tǒng)中很重要的一部分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，燃油測量精度每提高1%，可以多載重200公斤。因此，提高飛機(jī)燃油油位測量的準(zhǔn)確度，進(jìn)一步提高油量的檢測精確度，就成為了飛機(jī)燃油系統(tǒng)研究工作的重要方向。

本文根據(jù)將主要討論常見的幾種測量方法，并分析其原理，包括浮子電阻式、電容式以及超聲波式等。最后，比較其優(yōu)缺點(diǎn)，并探究適用于我國飛機(jī)燃油油位測量的有效方法，以及油位檢測方法的發(fā)展趨勢。

1 浮子電阻式油位測量方法

浮子電阻式油位測量方法通過安裝在油箱內(nèi)的浮子傳感器，感受油箱中油面高度來測得飛機(jī)載油量。浮子傳感器由可變電阻和浮子組成，當(dāng)油面高度變化時(shí)，可變電阻值隨之改變，這樣，就將油面高度變化的非電量變化轉(zhuǎn)換成電量變化，輸入儀表線路，從而測得油箱中的油量，其原理簡圖如下圖1所示。測量總油量時(shí)，傳感器則需要使用多個(gè)，對(duì)稱式電橋的一個(gè)橋臂由所有傳感器內(nèi)的電位器互相串聯(lián)而成。

該測量方法存在以下問題：測量范圍小，指示誤差大，傳感器極易損壞，體積大，安裝調(diào)試不方便等。

2 電容式油位測量方法

電容式油位測量方法是現(xiàn)代航空領(lǐng)域最常用的方法，其基本原理是空氣與燃油存在介電常數(shù)特性方面存在差值。將兩個(gè)同心電極管垂直或接近垂直地安排在燃油箱內(nèi)構(gòu)成電容時(shí)，就利用了這一現(xiàn)象，如圖2所示。

在真空狀態(tài)下，圓柱形傳感器的理論電容值由下述公式給出：

式中ε0為介電常數(shù)，H為傳感器高度，r1為傳感器內(nèi)管的外半徑，r2為傳感器內(nèi)管的內(nèi)半徑。如圖3所示，當(dāng)燃油介質(zhì)的液面在電容式傳感的兩同心圓筒之間變化時(shí)，引起極板間介質(zhì)的高度變化，因而導(dǎo)致電容變化，傳感器的電容量如下式計(jì)算：

式中C為總電容，C1為氣體部分電容，C2為燃油部分電容，ε0為空氣介電常數(shù)，ε1為燃油介電常數(shù)。由上式可以看出總電容量與燃油液面高度呈線性關(guān)系，由于油箱曲線是已知的，所以測得燃油介質(zhì)的液面高度，及可得到電容傳感器的電容量，進(jìn)而得到燃油箱內(nèi)的剩余油量。該測量方法主要問題是由于電容整體要浸入燃油內(nèi)，所以因?yàn)槠潴w積的原因，影響了原始液面的高度。

3 超聲波式油位測量方法

超聲波測量依賴于聲波能夠在液體中傳播并在該液體的界面處發(fā)生反射這一聲學(xué)現(xiàn)象。測量中的關(guān)鍵在于聲波在燃油中的傳播速度與燃油的溫度成反比，并且燃油類型不同而不同。超聲波測量系統(tǒng)的基本原理為：

1）聲波通過燃油時(shí)的傳播速度可由聲速計(jì)進(jìn)行測量；

2）聲音從發(fā)射換能器通過燃油向上傳播到燃油界面，然后向下傳播返回接收換能器的往返時(shí)間，可用傳感器測量。

3.1 超聲波傳感器的工作原理

超聲波液位測量，是基于超聲波在聲阻抗率不同的媒介分界面上產(chǎn)生反射的特性。由超聲波換能器發(fā)出的超聲波在液體與氣體的分界面發(fā)生反射，產(chǎn)生回波被換能器接接收，依據(jù)換能器發(fā)射超聲波到再次接收到超聲波所歷經(jīng)的時(shí)間可測出液位。超聲傳感器相對(duì)于電容傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、測量穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。如圖4所示，為超聲波聲速計(jì)和超聲波傳感器的工作原理圖，此處聲速計(jì)利用一固定目標(biāo)體起到一個(gè)聲速校準(zhǔn)的作用，而傳感器則用于測量油箱內(nèi)的燃油高度。

圖5給出的時(shí)間曲線，表明采用這種布局如何可以獲得燃油油面高度，參數(shù)定義如下：

TT為目標(biāo)體的往返時(shí)間，TS為至油面的往返時(shí)間，D為至目標(biāo)體的已知距離，L為至油面的未知距離。

通過下列公式，可由聲速計(jì)導(dǎo)出燃油內(nèi)的聲速VOS，即：

VOS=2D/TT

同樣，如下公式可以確定至油面的未知距離L，即：

L=VOS·（TS/2）

由上面兩個(gè)公式，我們可以得到油面高度，即：

L=D（TS/TT）

超聲波燃油測量方法主要存在的問題是這種技術(shù)不能通過測量無油空間的超聲波的往返時(shí)間，聲波在介質(zhì)中傳播會(huì)發(fā)生衰減，飛機(jī)處于爬升姿態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣泡，影響測量。

3.2 超聲波傳感器的設(shè)計(jì)

如圖6所示，超聲波傳感器由下端的換能器組件構(gòu)成，并附帶一個(gè)垂直固定在其上的穩(wěn)定筒，傳感器可由金屬或者復(fù)合材料構(gòu)成。對(duì)于某個(gè)給定位置，傳感器的整個(gè)長度與等效的電容式傳感器相同，除非留出必要的安裝間隙。

換能器組件帶有壓電陶瓷盤器件，起到收發(fā)器的作用，產(chǎn)生并接收超聲波。換能器組件由共振盤和電阻放電網(wǎng)組成，后者直接安裝在此盤上，以便安全地消散由于溫度或機(jī)械沖擊、機(jī)械迷宮或者氣泡等累積的任何非正常能量。

穩(wěn)定筒的用途是準(zhǔn)直換能器所發(fā)生和接收的聲波，并提供一個(gè)進(jìn)行測量的“受保護(hù)區(qū)”。穩(wěn)定筒保護(hù)測量，避免出現(xiàn)不利現(xiàn)象，例如燃油晃動(dòng)或大個(gè)氣泡。穩(wěn)定筒和換能器組件的設(shè)計(jì)必須使燃油可方便地進(jìn)入穩(wěn)定筒，以使得油位跟隨穩(wěn)定筒外面的燃油，但防止在使用中可能產(chǎn)生的湍流引起的大個(gè)氣泡進(jìn)入。在換能器組件內(nèi)納入迷宮式隔聲板，可達(dá)到此目的。最后，下部安裝支架應(yīng)固定到防氣泡罩上，上部可移動(dòng)以及阻尼器，位于定位筒上。

4 結(jié)論

根據(jù)以上對(duì)各個(gè)檢測方法的研究和分析，結(jié)合國內(nèi)油位傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀，未來的商用飛機(jī)應(yīng)當(dāng)采用電容式油位測量方法較為妥當(dāng)。

國外的技術(shù)領(lǐng)先國內(nèi)至少20年，在積極推進(jìn)油位檢測的發(fā)展方面，B777客機(jī)和F-22猛禽戰(zhàn)機(jī)已經(jīng)使用了超聲波式油位測量方法，并取得了一定的成功。然而，我們可以看到，在最新的機(jī)型，例如波音B787夢(mèng)想飛機(jī)和空客A380，以及新的超寬體機(jī)A350中全部將電容式測量作為燃油油位測量的首選技術(shù)。

究其原因，一是超聲波技術(shù)的優(yōu)勢尚未得到充分的體現(xiàn)，二是燃油測量需要極高的可靠性，因?yàn)楸仨氝M(jìn)入燃油箱進(jìn)行維護(hù)，成本很高，三是電容式油位測量技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用多年，業(yè)界一直以其為基礎(chǔ)來制造整個(gè)燃油測量系統(tǒng)。因此，對(duì)于新技術(shù)的應(yīng)用，一直處于保守狀態(tài)，難以取代陳舊的電容式測量法，盡管其存在電纜束連通性和水污染有關(guān)的使用問題。

對(duì)于未來油位檢測技術(shù)的發(fā)展，按作者的觀點(diǎn)，超聲波式油位測量法會(huì)被廣泛應(yīng)用，因?yàn)榧夹g(shù)總是會(huì)有反復(fù)推進(jìn)的過程，等待技術(shù)成熟后，相信非接觸式的超聲波會(huì)以其明顯的優(yōu)勢占據(jù)一席之地。未來最具發(fā)展前景的技術(shù)將是使用光和微機(jī)電技術(shù)（MEMS）的一種組合，MEMS裝置可能會(huì)設(shè)計(jì)成通過光纖受光激勵(lì)時(shí)，測量壓力、溫度、密度和加速度等傳感器。因?yàn)镸EMS傳感器尺寸小，適合于埋置在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)，因此這是能可靠的在不利環(huán)境下工作的，并滿足當(dāng)前嚴(yán)格條例要求的理想后續(xù)技術(shù)。

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[責(zé)任編輯：湯靜]