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飞机燃油测量系统设计及免加油校准优化方案

来源:lol赛事竞猜 分类:科技论文 发布时间:2021-04-16 浏览:次

  摘要:为了提升飞机燃油测量系统的免加油校准能力,根据油量测量系统的设计原理,分析了各部件对油量测量一致性的影响权重,并在权重分析的基础上,结合对常规的手动校准和自动校准方案论证结果,提出了一种燃油测量系统免加油校准设备方案。结果显示,该设备的原理正确,功能完善,能满足大部分条件下的飞机燃油测量系统免加油校准操作。

  关键词:燃油测量系统;测量一致性;系统免加油校准

  Keywords:fuel measuring system;measurement consistency;fuel free calibration

航空动力学报

  《航空动力学报》(月刊)创刊于1986年,是中国航空学会主办,经国家科委批准的高级刊物,向国内外公开发行。主要刊登航空航天发动机的原理与设计、气动热力学,叶轮机械,燃烧学,传热传质学,结构力学,自动控制、机械传动、实验技术以及热动力工程等方面的最新科技成果。

  0 引言

  目前,飞机燃油测控系统主要以电容式测量原理为主,传感器中不同的油量将导致不同的输出电容,配以附属处理电路即可完成飞机油量信号的实时监测与显示[1,2]。而在油量测量和模拟信号传输过程中,油量传感器、激励源信号、信号传输电缆、信号处理电路均在一定程度上影响着油量测量的信号一致性,因此,在燃油系统装机或更换系统油量测量部件后必须对系统进行校准操作[3]。

  系统油量部分的常规校准分为手动校准和自动校准两种方式,但常规的校准方式均需要对飞机油箱反复加放油,容易造成地勤人员工作量大和燃油浪费,因此燃油系统的免加油校准被广泛提出。电容式油量测量系统免加油校准是系统性的技术问题,目前该问题的解决方案有两种,分别是系统解决方案和利用模拟信号装置代替加放油进行校准。其中,系统解决方案是基于产品一致性设计和严格的误差分配,将油量传感器、油量测量电缆、燃油测量计算机进行标定校准,只需在首次加放油时进行标定并记录原始数据,后续更换计算机可根据原始数据修订换装计算机数据,实现免加油校准。利用模拟信号装置代替加放油进行校准的方案的具体操作为:利用模拟信号装置还原机上满油和零油信号,实现对燃油测量计算机的校准,该方案需要在每架飞机出厂前均对从油量传感器至燃油测量计算机端的电容信号进行测量并记录归档,且在测量和还原信号的环节会引入一定的附加误差,较难满足系统测量误差要求。

  第一种方式适用于新研制的燃油测量系统,在设计初期进行免加油校准设计,第二种方式适用于已有燃油测量系统的免加油校准优化,本文在此基础上论述某型飞机的燃油测量系统设计及免加油校准优化方案。

  1 燃油测量原理

  燃油测量系统由检查和控制操纵台、显示驱动器、油量传感器和温度传感器组成,图1所示为常用的设计接线方式。检查和控制操纵台接收油量传感器、温度传感器等各类信号,与显示驱动器一起对上述信号进行综合处理后得到油量、温度等信息,通过RS-422A接口发送到上位机。检查和控制操纵台还具有油量测量零满调整功能和零满检查功能。

  如图2所示,在燃油测量原理框图中,虚线框内分别为油量传感器、温度传感器、显示驱动器,其余部分為检查和控制操纵台。

  根据该测量原理,油量测量时的具体操作步骤如下:

  1)将115V信号引入检查和控制操纵台后,变换为激励信号激励油量测量交流电桥工作,变换为驱动信号驱动显示驱动器内的同步电机工作。

  2)显示驱动器内的同步电机带动平衡电位计和取样电位计同步转动,平衡电位计参与交流电桥平衡,取样电位计以直流电压的形式同步反映平衡电位计的位置情况。

  3)温度传感器在交流电桥中起电路温度补偿作用(另一路温度传感器用于测量燃油密度,与油量测量电桥无关,图中未反映)。

  4)正常工作情况下,一路激励信号通过零检测开关的默认位置激励调零电位计、电容式传感器(A1桥),另一路激励信号激励调满电位计、温度传感器、平衡电位计、平衡电容(B桥)。两路信号求和、放大,转换为控制信号控制显示驱动器的同步电机做正向和反向运动,同步电机带动平衡电位计和取样电位计同步转动。工作结果有三种: A1桥和B桥信号平衡,同步电机停止转动,油量正常指示;A1桥>B桥,油量显示上限值;B桥>A1桥,油量显示下限值。其中,调零电位计和调满电位计需在传感器空油位和满油位时按照既定要求调整到位,为油量测量确定零满点。

  5)零位检测情况下,即按压检查和控制操纵台上的“零”检测按钮,一路激励信号通过零检测开关的切换位置激励标准电位计、标准电容(A2桥),另一路激励B桥。两路信号求和、放大,转换为控制信号控制显示驱动器的同步电机做正向和反向运动,同步电机带动平衡电位计和取样电位计同步转动。此时的A2桥用于替代A1桥工作,检测电桥电路能否回到0±100kg。完成油量零满标定后,需在零位检测情况下调整标准电位计使油量指示0±100kg。

  6)最大检测情况下,即按压检查和控制操纵台上的“最大”检测按钮,一路激励信号通过零检测开关的默认位置激励“调零电位计、电容式传感器”,同时通过最大检测开关的切换位置激励“标准电位计、标准电容”(A1+A2桥),另一路激励B桥。两路信号求和、放大,转换为控制信号控制显示驱动器的同步电机做正向和反向运动,同步电机带动平衡电位计和取样电位计同步转动。此时A1+A2桥工作,检测电桥电路能否指示到最大值。

  2 油量测量一致性的影响因素

  由图1和图2可知,在油量测量和模拟信号传输过程中,油量传感器、激励源信号、信号传输电缆、显示驱动器、检查和控制操纵台均会影响油量测量的一致性。而温度传感器的物理特性为电阻,本身一致性较好,对油量测量一致性影响基本可以忽略。

  2.1 油量传感器

  9根油量传感器的电容最大误差为15.6pF,相对误差为15.6/355.6=4.4%,即油量传感器影响的极限为4.4%。

  2.2 激励源信号

  燃油测量系统油量传感器的激励信号为115V电源经信号变压器产生的正弦恒频信号,标准信号的频率为400Hz,峰峰值为20V。由试验结果可知,激励信号的频率和信号峰值均会对传感器的输出信号产生影响,误差约为±0.7%,即极限差异为1.4%,这是一项已得到验证的技术指标。

  2.3 信号传输电缆

  如图3所示,在燃油测量系统中,检查和控制操纵台、显示驱动器、油量传感器以及温度传感器通过信号传输电缆与油量传感器相连。油量传感器从飞机油箱至飞机座舱的检查和控制操纵台长达20m,电缆的敷设、捆扎方式、线缆间的寄生电容、线缆导通电阻均会导致信号的差异。根据工程数据统计,油量传感器到检查和控制操纵台的信号传输电缆引入的分布电容差异为26~34pF,即变化量约为8pF,该差异大小与飞机型号相关。根据燃油中传感器电容值约为空气中电容值的2倍,传感器组电容变化量约为355.8pF,则相对变化量为8/355.8=2.2%,即信号传输电缆影响的极限差异为2.2%。

  2.4 检查和控制操纵台及显示驱动器

  检查和控制操纵台及显示驱动器共同构成油量测量电桥电路,而内部变压器、运算放大器、功率三极管、同步电机、多联电位器及阻容器件等器件的个体差异以及内部印制电路板、线束等差异也会导致信号测量的一致性降低。检查和控制操作台及显示驱动器的差异性可以通过调零、调满操作消除,在本免加油校准方案中可以忽略。

  因此,若不进行机上加放油调零、调满操作以消除传感器和电缆引入的误差,则燃油测量系统中将最大引入4.4%+1.4%+2.2%=8%的误差值,将超出规定的使用要求。

  3 燃油測量常规校准操作

  3.1 校准的必要性

  如上所述,受燃油测量系统的测量原理所限,产品装机后的油量传感器信号转换各环节存在参数差异,油量测量难以一致。当前实际工程应用中难以消除油量传感器、信号传输电缆、元器件参数的差异性,因此,在燃油系统装机或更换系统油量测量部件(检查和控制操纵台、显示驱动器、油量传感器)后,必须对系统进行校准操作。

  在不同的液面高度下,电容式油量传感器输出不同的电容值,经测量变换为不同的电压。由于油量传感器上已刻录了油箱曲线,实际测量油箱内油量值和油量测量电压值后,得到如图4所示的曲线。

  如图4所示,油量和电压曲线近似为一次曲线,因此可用一次方程y=k+b进行线性拟合,假设油量值与电压值的转换关系为:

  燃油测量系统常规校准设备的检查和控制操纵台面板如图5所示。

  某型机要求测量系统的检查和操纵控制台、显示驱动器在首次装机或其中任意部件更换或油量传感器在首次装机或1/3的油量传感器部件更换后,必须实施系统油量部分的调零、调满校准。目前,系统油量部分的常规校准分为手动校准和自动校准两种形式。系统产品首次装机进行油量部分校准时,需先进行手动校准,再进行系统自动校准;飞机在之后的使用过程中,若需进行油量部分的校准,一般直接实施自动校准,无需再进行手动校准。

  3.2 手动调整校准

  将燃油测量系统安装上飞机后,系统油量部分的手动校准包含以下步骤:打开系统检测口盖,将专用试验器连接到系统检测口;接通本燃油测量系统的电源;系统产品通电3min后,打开调整盖板;在空油箱状态时,旋动“零”调整旋钮,调整燃油油量系统的零位,使专用试验器显示值为0.6±0.05V;在满油箱状态时,旋动“最大”调整旋钮,使专用试验器显示值为7±0.3V;系统油量部分调零、调满校准完毕后,关闭调整盖板;关闭本燃油测量系统的电源;关闭系统检测口盖。手动校准过程中应注意,在调节满位后,需检查系统的零位值,必要时需反复进行调整。

  3.3 自动调整校准

  燃油测量系统的自动校准包括调零校准和调满校准,具体操作是以“自动调零”按钮和“自动调满”按钮共同完成。

  在进行燃油测量系统的自动调整校准时,按以下步骤进行:接通燃油测量系统的电源;系统产品通电3min后,打开调整盖板;在飞机油箱满油或空油状态时,按下“自动调满”或“自动调零”按钮3s后松开,完成系统油量部分的自动调满调零校准;关闭本燃油测量系统的电源;关闭检查和控制操纵台面板上的调整盖板。

  4 燃油油量测量系统免加油校准方案设计

  4.1 设备工作原理

  研制的免加油校准设备由数字式电容测量电路、免加油校准装置、飞机油量信号模拟装置、面板显示模块等组成。燃油油量-耗量测量系统免加油校准检测设备板如图6所示。

  数字式电容测量电路由运算放大器、A/D转换器、面板插座操纵板组件、检测电缆组件等组成,对飞机燃油电容信号及传感器电容值进行测量及故障判断,并通过面板波段开关切换,在线测量飞机各油量传感器的电容值和全机总电容值(油量)以及单根油量传感器的电容值。通过数字式电容测量电路,测量并记录飞机油量零位、满位电容值。用免加油校准装置复现飞机油量零位、满位电容值,实现对燃油测量系统的免加油校准操作。

  该设备设计有电源反接保护电路,具有反接保护功能。采用便携式机箱设计,具有防水、防震功能,并方便外场使用。

  4.2 设备功能

  该套燃油油量测量系统免加油校准设备具有的功能包括:1)检查燃油油量测量系统的基本误差;2)随机测量传感器的空油电容值,地面测量单个传感器的空油电容值;3)对装机后传感器的故障检查;4)不加放油,调整燃油油量测量系统零、满位;5)检测显示驱动器直流电压进行燃油油量测量系统零满位调整工作状态检查。6)设备具有自检测功能,电源具有反接保护功能。

  4.3 免加油校准实现

  准备环节:当油量传感器更换超过1/3时需测一次,考虑到传感器故障率较低,一架飞机在准备环节只需测一次。

  1)飞机处于校准状态,将飞机燃油放空并对飞机燃油测量系统进行燃油零位校准操作;

  2)用本設备实际测量并记录飞机零位油量电容值;

  3)将飞机燃油加满并对飞机燃油测量系统进行燃油满位校准操作;

  4)用本设备实际测量并记录飞机满位油量电容值。

  使用环节:

  1)本设备对接拟装机检查和控制操纵台及显示驱动器;

  2)模拟输出已记录飞机零位油量电容值,并执行调零操作;

  3)模拟输出已记录飞机满位油量电容值,并执行调满操作;

  4)检查和控制操纵台及显示驱动器装机;

  5)免加油校准结束。

  5 结论

  根据目前飞机燃油测量系统的设计原理,本文分析了油量测量和模拟信号传输过程中影响油量测量一致性的各项因素,结论如下:油量传感器和信号传输电缆对油量测量一致性的影响较大,激励信号和内部元器件的质量也会在一定程度上影响传感器的输出信号,而温度传感器的影响可以忽略不计。为提高系统燃油测量的一致性,在分析常规手动校准和自动校准的基础上,进一步提出一种燃油测量系统免加油校准设备方案,该方案用模拟油量信号替代真实加放油过程,复现飞机油量零位、满位电容值,实现对燃油测量系统的免加油校准操作。该设备原理正确,功能完善,能满足大部分条件下的飞机燃油测量系统免加油校准操作。

  参考文献

  [1]颜万亿,刘日明. 飞机燃油系统测量技术研究[M]. 北京:第三0一研究所出版,1992.

  [2] Roy L,Chuck C. Aircraft Fuel System [M]. United Kingdom:JohnWiley&Sons,Ltd,1996.

  [3] HB 6178-1988,电容式燃油油量测量系统的安装和校准[S]. 航空工业部601所,1988.

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文章名称:飞机燃油测量系统设计及免加油校准优化方案

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