高可靠性自檢燃油油位信號(hào)器研究

唐文斌 李東霖

摘 要：機(jī)載燃油油位信號(hào)系統(tǒng)必須獨(dú)立于燃油測(cè)量系統(tǒng)，用于飛機(jī)燃油控制及油量告警。目前行業(yè)內(nèi)使用較多的是單干簧浮子式油位信號(hào)器，其主要由外管、干簧、帶磁鐵的浮子等組成，工作時(shí)浮子隨油面上下浮動(dòng)，當(dāng)油面到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，浮子的磁性致使干簧管接通，發(fā)出油面告警信號(hào)，單干簧信號(hào)器都存在可靠性低，穩(wěn)定性低，外場(chǎng)檢測(cè)不方便等問(wèn)題，因此，開發(fā)和設(shè)計(jì)一種新型的具有高可靠性和集自檢功能于一身的油位信號(hào)器具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：信號(hào)器;自檢;余度;高可靠性

中圖分類號(hào)：V241.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）22-0073-02

航空航天燃油信號(hào)器是燃油系統(tǒng)發(fā)出告警信號(hào)的關(guān)鍵部件，目前行業(yè)上多數(shù)使用的是單干簧式信號(hào)器。它是一種采用單干簧式和帶磁鐵的浮子，浮子隨著液面到達(dá)指定位置時(shí)，使干簧管吸合完成的器件，其關(guān)鍵部件是干簧管，可靠度是由其內(nèi)置干簧管來(lái)保證的。此類信號(hào)器中的干簧管都是用環(huán)氧樹脂膠灌進(jìn)導(dǎo)桿內(nèi)的，具有不可修復(fù)性，一旦干簧管發(fā)生故障，整個(gè)信號(hào)器都將報(bào)廢，造成不必要的浪費(fèi)，另一方面如果信號(hào)器在外場(chǎng)發(fā)生故障也不方便現(xiàn)場(chǎng)定位干簧管的故障。

因此，在現(xiàn)有技術(shù)干簧管、繼電器可靠性難以迅速提高的情況下，通過(guò)對(duì)燃油測(cè)量核心部件干簧管、繼電器采用并、串聯(lián)的方式，以達(dá)到迅速提高燃油測(cè)量信號(hào)器可靠性，并且通過(guò)對(duì)纏繞在干簧管外部線圈通電的方式完成信號(hào)器的自檢功能，這也就形成了集高可靠性自檢于一身的新型信號(hào)器—高可靠性自檢信號(hào)器，目前此類信號(hào)器已成功應(yīng)用于航天領(lǐng)域。

1 信號(hào)器組成及功能

信號(hào)器的內(nèi)部組成圖見(jiàn)圖1。主要由干簧管組合件、浮子組合件、導(dǎo)桿組合件、線路板組合件、安裝座、外體及墊圈等組成。

干簧管組合件由四個(gè)SGG-1A干簧管、線圈、支撐桿、保持架四部分組成。四個(gè)SGG-1A干簧管采取并串方式，固定于保持架上，在干簧管上涂環(huán)氧樹脂膠，然后把線圈固定在干簧管上。整個(gè)干簧管組合件最后灌E-51環(huán)樹脂膠固定于導(dǎo)桿組合件內(nèi)。導(dǎo)桿底部到進(jìn)油口距離2mm，浮子距外壁3mm。浮子組合件由浮子和磁棒組成，浮子材料為聚乙醚泡沫塑料，磁鐵固定于浮子內(nèi)。導(dǎo)桿組合件由導(dǎo)桿和密封塞組成，材料均為2A12，導(dǎo)桿和密封塞之間采用焊接方式。線路板組合件由線路板、電阻、繼電器、二極管組成，整個(gè)線路板組合件用螺釘固定于安裝座內(nèi)。安裝座材料為2A12，采用螺釘固定于于外體上。

信號(hào)器功能：當(dāng)油位信號(hào)器裝于燃油系統(tǒng)中，用于控制油箱內(nèi)液面高度，當(dāng)浮子隨油箱內(nèi)液面高度到達(dá)允許值時(shí)，干簧管吸合，從而繼電器吸合，此時(shí)油位信號(hào)器發(fā)出控制信號(hào)，信號(hào)器內(nèi)設(shè)計(jì)有自檢查線路，供外場(chǎng)檢查信號(hào)器內(nèi)部干簧管能否正常工作。

2 高可靠性自檢信號(hào)器工作原理

油位信號(hào)器原理框圖見(jiàn)圖2，各針腳定義如下：

1針：正常信號(hào);

2針：正常信號(hào);

3針：殼體;

4針：檢測(cè)（28.5V）;

5針：28.5V;

6針：—。

油位信號(hào)器檢測(cè)時(shí)，“4針”檢測(cè)28.5V電源通過(guò)限流電阻后，加載在自檢線圈上，自檢線圈產(chǎn)生自檢磁場(chǎng)，致使干簧管接通，干簧管接通后“5針”28.5V電源加載在繼電器線圈上，繼電器接通，致使“5針”28.5V電源加載在正常信號(hào)上，“2針”和“1針”并聯(lián)，達(dá)到檢測(cè)的目的。

油位信號(hào)器工作時(shí)，磁浮子位置根據(jù)油面發(fā)生變化，當(dāng)浮子到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，致使干簧管接通，干簧管接通后“5針”28.5V電源加載在繼電器線圈上，繼電器接通，致使“5針”28.5V電源加載在正常信號(hào)上，信號(hào)器工作正常。

下面就信號(hào)器各部件工作原理做詳細(xì)的分解，如：干簧管工作原理、干簧管自檢工作原理、干簧管并串聯(lián)分析、浮子技術(shù)等。

2.1 干簧管工作原理

干簧管又稱磁控繼電器，干簧管是由兩根既導(dǎo)電又導(dǎo)磁的合金絲制成的簧片，按一定的相對(duì)位置，封結(jié)在充有保護(hù)氣體的玻璃管中而構(gòu)成的自動(dòng)控制用元件。它由兩根既導(dǎo)電又導(dǎo)磁的鐵磁體簧片密封安裝在一個(gè)玻璃管內(nèi)構(gòu)成。兩簧片重疊并留有一定間隙以構(gòu)成接點(diǎn)。平時(shí)，玻璃管中的兩個(gè)簧片是分開的，當(dāng)永久磁鐵靠近干簧管或者由繞在干簧管上的線圈通電形成磁場(chǎng)使簧片磁化時(shí)，兩個(gè)簧片受感應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)北極N和一個(gè)南極S，玻璃管內(nèi)的兩個(gè)異性簧片相互吸引，當(dāng)吸引的磁力超過(guò)簧片的彈力時(shí)，簧片就會(huì)吸合在一起，使電路連通。當(dāng)磁力減小到一定值，兩個(gè)簧片本身的彈力大于其吸引的磁力時(shí)，接點(diǎn)又會(huì)被分開，從而斷開電路。

同理，在干簧管測(cè)試時(shí)，干簧管外部纏繞著銅質(zhì)的線圈，對(duì)線圈通電會(huì)產(chǎn)生外磁場(chǎng)，簧片在外磁場(chǎng)的作用下被磁化。當(dāng)外磁場(chǎng)足夠大時(shí)，產(chǎn)生的磁力會(huì)使簧片能夠克服自身復(fù)原力矩而吸合，該指標(biāo)就是干簧管的吸合安匝數(shù);當(dāng)外磁場(chǎng)足夠小時(shí)，簧片又會(huì)在自身復(fù)原力矩的作用下分開。這樣干簧管在實(shí)際應(yīng)用的電路中便起到了磁控開關(guān)的作用。

由于它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、靈敏度高、吸合功率小等突出優(yōu)點(diǎn)，因此成為控制中的重要元件，尤其在航空航天等領(lǐng)域被廣泛采用。

2.2 干簧管自檢原理

螺線管半徑為R，總長(zhǎng)度l，單位長(zhǎng)度上的匝數(shù)為N的螺線管在其軸線上一點(diǎn)的磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度按畢奧—薩伐爾定律計(jì)算如下：

將螺線管分割成許多圓線圈。長(zhǎng)度為dl內(nèi)的各匝圓線圈的總效果，是一匝圓電流線圈的ndl倍。

對(duì)干簧管生產(chǎn)測(cè)試而言，近似認(rèn)為β1=0，β2=π，以45安匝為例，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

干簧管自檢是根據(jù)電磁場(chǎng)原理和干簧管的特性，將被測(cè)干簧管置入線圈內(nèi)，當(dāng)線圈通過(guò)電流時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，簧片在磁力作用下克服自身還原力矩開始吸合，測(cè)得的干簧管電阻減小，此時(shí)電流和線圈匝數(shù)的乘積稱吸合安匝，導(dǎo)通電阻稱為吸合電阻。當(dāng)兩簧片緊密吸合在一起，這時(shí)測(cè)得的干簧管電阻穩(wěn)定，稱為工作電阻。斷開線圈中的電流，簧片在自身復(fù)原力矩的作用下開始分離，測(cè)得的干簧管電阻增大，此時(shí)的安匝數(shù)稱為釋放安匝。通過(guò)此方法來(lái)達(dá)到干簧管提前檢測(cè)的目的。

2.3 干簧管并串聯(lián)分析

為了滿足信號(hào)器高可靠度要求，油位信號(hào)器采用了余度設(shè)計(jì)。余度設(shè)計(jì)分析如下：

（1）單干簧式如圖3所示;（2）串—并結(jié)構(gòu)如圖4所示;（3）并—串結(jié)構(gòu)如圖5所示。

干簧管失效模式分兩種：開路和短路。干簧管失效率為0.003，可靠度為0.997。干簧管出現(xiàn)斷路故障模式與短路故障模式的比例為2：1，即斷路故障率為0.002，短路故障概率為0.001。普通信號(hào)器采用的是第一種單干簧式，一旦干簧管出現(xiàn)開路或者短路，信號(hào)器將無(wú)法工作，可靠性較低，而串—并結(jié)構(gòu)主要保護(hù)短路故障模式，并—串結(jié)構(gòu)主要保護(hù)開路故障模式，在航空航天信號(hào)器的使用過(guò)程中，干簧管最大的失效模式為干簧管損壞造成開路現(xiàn)象，因此，采取第3種4干簧并—串結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)只有在并聯(lián)的兩個(gè)干簧管同時(shí)出現(xiàn)開路或者兩組干簧管同時(shí)閉合的情況下信號(hào)器才會(huì)故障，而此類現(xiàn)象出現(xiàn)的情況幾率很小，因此，采用并串模式大大增加了信號(hào)器的可靠性。

2.4 浮子技術(shù)

浮子是利用高分子材料配方和發(fā)泡成型技術(shù)制造的，具有壽命長(zhǎng)、不變形、不生霉、不增重、耐高溫等特點(diǎn)，并且也有成熟的國(guó)防專利技術(shù)，其成品在國(guó)內(nèi)各種型號(hào)的機(jī)型上廣泛使用，它與干簧管技術(shù)一樣都經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)幾乎所有機(jī)種的裝機(jī)驗(yàn)證，不受國(guó)外技術(shù)和采購(gòu)渠道制約。

浮子由聚乙醚泡沫塑料材料制成，聚乙醚泡沫塑料密度小于燃油密度，它起的作用是在浮力作用下帶動(dòng)磁鐵隨液面變化到指定液面高度，使磁鐵吸合干簧管，發(fā)出告警信號(hào)。當(dāng)液面到達(dá)產(chǎn)品規(guī)定刻線的時(shí)候，隨著液面下降，浮子也沿著導(dǎo)桿隨之下降，在導(dǎo)桿的底端有擋圈限制浮子的行程，從而磁鐵一直吸合干簧管發(fā)出告警信號(hào)。

3 信號(hào)器特點(diǎn)

通過(guò)上述分析，高可靠性自檢信號(hào)器有如下特點(diǎn)：

（1）產(chǎn)品原理采用干簧浮子式原理，用于發(fā)出油箱設(shè)定油面位置的油面信號(hào);該信號(hào)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn);（2）干簧管組件采用冗余設(shè)計(jì)技術(shù)，可提高產(chǎn)品工作可靠性;（3）干簧管組件采用自檢測(cè)設(shè)計(jì)，具有提前判斷干簧管的好壞的優(yōu)點(diǎn);（4）選用軍用繼電器增強(qiáng)信號(hào)器驅(qū)動(dòng)電流，繼電器具有兩組轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)，負(fù)載電流較單干簧管式信號(hào)器增大，具有體積小、重量輕、耐振動(dòng)、抗沖擊及能在惡劣環(huán)境條件下可靠工作的特點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了高可靠性信號(hào)器工作原理及組成，分析了信號(hào)器的工作過(guò)程，重點(diǎn)討論了高可靠性設(shè)計(jì)和自檢工作原理。此信號(hào)器較之普通信號(hào)器大大提高了可靠性并且具有干簧管自檢功能，滿足了信號(hào)器可靠性越來(lái)越高的要求。

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