?

航空燃油密度測量技術(shù)研究

The Research of Aviation Fuel Density Measurement Technology

鮮燕1王麗梅1陳健1陳貴勇2/ Xian Yan1Wang Limei1Chen Jian1Chen Guiyong2

(1.中國民航飛行學(xué)院新津分院，成都 611400;2.中航工業(yè)成飛集團(tuán)復(fù)合材料加工廠，成都 61000)

(1.Civil Aviation Flight University of China Xinjin Flight College，Chengdu 611400，China;

2.AVIC Chengdu Aircraft Composites Factory,Chengdu 610000,China)

0引言

燃油是飛機(jī)的能源，燃油系統(tǒng)是飛機(jī)能源的供應(yīng)系統(tǒng)。飛機(jī)燃油系統(tǒng)主要功能是儲存燃油，并根據(jù)飛行狀態(tài)和飛行高度，按需要的壓力和流量，安全可靠地將燃油供給發(fā)動機(jī)。因而在飛機(jī)的飛行過程中，燃油量對飛行安全起著重要的作用[1-3]，不僅要求燃油量能實時地顯示出，并且要求其測量值盡可能精確。這是由于飛機(jī)工作的特殊環(huán)境所導(dǎo)致的，燃油測量系統(tǒng)的測量精度對飛機(jī)的整體性能有重要的影響，例如民用飛機(jī)的燃油測量精度只要每提高0.5%，相應(yīng)就可以至少增加2~3名乘客[4]，大大提高經(jīng)濟(jì)效益。因此，提高飛機(jī)燃油系統(tǒng)的測量精度顯得尤為重要。

近年來，如何實現(xiàn)高精度飛行燃油密度的實時測量是國內(nèi)外一直在探索和研究的重點(diǎn)，然而國內(nèi)航空燃油密度測量技術(shù)的研究尚處于起步階段，因此，對各種新的燃油密度測量方法及燃油量測量技術(shù)的研究將推動著燃油測量技術(shù)不斷地發(fā)展與完善。

1燃油測量系統(tǒng)

飛機(jī)燃油測量系統(tǒng)包括液位測量傳感器、密度測量傳感器、燃油測量與處理任務(wù)計算機(jī)以及油量顯示等部分，圖1是它的工作原理：油位測量傳感器首先測量出油箱中燃油的高度h，結(jié)合飛行姿態(tài)和飛行高度以及數(shù)學(xué)模型信息，計算機(jī)可得到相應(yīng)的燃油體積v，同時密度傳感器可以測出燃油的密度ρ，計算機(jī)通過結(jié)合溫度補(bǔ)償?shù)瓤傻贸鲇拖淙加偷馁|(zhì)量m，最終輸出并顯示。

圖1　燃油測量系統(tǒng)原理圖

其中，燃油的液位測量經(jīng)歷了從油尺測量、電容式(特性傳感器到線性傳感器)測量、超聲波測量、放射性測量、光纖測量以及磁致伸縮技術(shù)測量等各種先進(jìn)的測量方式并存的時代，使實時的體積計算成為現(xiàn)實[5]。由于燃油的消耗是動態(tài)過程，燃油密度并不是固定值，它會隨著飛機(jī)飛行的高度、大氣壓力、油箱溫度的變化而改變，因此要實時地測量出燃油密度，并且提高密度的測量精度，從而提高整個燃油測量系統(tǒng)的精度，是燃油測量中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。

2燃油密度的測量

燃油的密度測量從早期的間接測量、比重計測量逐漸到了振動筒式測量、放射性同位素測量、超聲波測量等傳感器測量，使得燃油測量精度、安全性、操作性及自動化水平大大提高，下面就幾種主要密度測量方法的工作原理進(jìn)行說明。

2.1　主要測量方法及其原理

(1)間接方法進(jìn)行測量

早期的燃油測量系統(tǒng)不能對燃油密度進(jìn)行直接測量，而采用的是間接測量方式。密度的間接測量又有結(jié)合介電常數(shù)和燃油溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?式1)以及利用燃油密度與溫度、壓力等之間的關(guān)系(式2)來進(jìn)行間接測量兩種[3,6]。

ρ=F1(T·C)

(1)

ρ=F2(P·T)

(2)

其中，ρ為燃油密度，T為溫度，C為介電常數(shù)，P為壓力，F(xiàn)1為密度與介電常數(shù)之間的關(guān)系函數(shù)；F2為燃油密度與溫度、壓力之間的關(guān)系函數(shù)。

對于第一種方法，由于燃油品格的不同，介電常數(shù)與密度之間的關(guān)系不總是恒定的，且測量得出的燃油密度精度不高；對于第二種方法，由于溫度壓力以及其他參數(shù)與密度之間的關(guān)系復(fù)雜，往往測量過程中簡化模型，使得精度降低。因此，相繼出現(xiàn)了直接測量的密度計以及傳感器。

(2)比重計進(jìn)行測量

比重計是測定液體密度的一種儀器，原理是阿基米德定律和物體浮在液面上的平衡，由干管和軀體組成。當(dāng)比重計在不同的燃油中浸入的深度不同，受到的壓力不同，根據(jù)干管上的讀數(shù)可以確定出燃油的密度。由于比重計測量密度精度不高，加上自動化程度低，一般在飛機(jī)燃油上很少使用。

(3)基于諧振技術(shù)測量

基于諧振技術(shù)的燃油密度測量采用的是諧振筒式傳感器，它是一種適用于多種參數(shù)測量的傳感器，通過測量諧振筒在不同狀態(tài)下的固有振動頻率，從而測量出測量燃油的密度，輸出量為頻率[7-8]。諧振筒的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，可以將其視為一個單自由度受迫振動的二階系統(tǒng)，等效于如圖3所示模型，其運(yùn)動方程可以表述為式(3)。當(dāng)外力(激振力)F(t)能夠克服阻尼力時，系統(tǒng)就將處于諧振狀態(tài)，根據(jù)振動理論，其諧振頻率為式(4)，也即是固有頻率。

小學(xué)生的學(xué)習(xí)是緊緊依靠著興趣來驅(qū)動的，好奇心和求知欲是小學(xué)生的主要心理特點(diǎn)。學(xué)生在課堂上由教師指導(dǎo)學(xué)習(xí)新知，在課下通過作業(yè)去主動研究和解決問題，在此過程中又產(chǎn)生新的困惑，再由教師進(jìn)行指導(dǎo)和點(diǎn)撥。在這樣的一個循環(huán)之中，教師不斷地激發(fā)和提升學(xué)生的開拓精神和創(chuàng)造能力，通過作業(yè)，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)知識，樂于參與討論，處理語言和綜合運(yùn)用語言的能力將不斷提升。作業(yè)是一節(jié)課教學(xué)的終點(diǎn)，同時也是學(xué)生學(xué)習(xí)的起點(diǎn)，作業(yè)不是學(xué)生的負(fù)擔(dān)，而是一種發(fā)展的需求。

(3)

(4)

圖2　諧振筒的結(jié)構(gòu)簡圖

圖3　振動系統(tǒng)等效模型

其中，F(xiàn)(T)為激振力，m為等效質(zhì)量，c為阻尼系數(shù)，k為彈簧剛度，E為材料彈性模量，I為剛度。

當(dāng)燃油從諧振筒中流過時，總質(zhì)量由m變成m+Δm，Δm是燃油振動部分的質(zhì)量，此時的振動頻率為式(5)。

(5)

(6)

(7)

其中，d1、d2分別為諧振筒的內(nèi)外徑，f為諧振筒的振動頻率，fx為加入燃油后諧振筒的振動頻率。

當(dāng)燃油進(jìn)入諧振狀態(tài)的諧振筒中，將隨之一起振動并成為其振動質(zhì)量的有效部分，根據(jù)式(7)測量出此時的振動頻率即可以確定出燃油的密度，圖4是系統(tǒng)原理框圖。

圖4　諧振式航空燃油測量系統(tǒng)示意圖

(4)放射性同位素測量

I=I0exp(-μρxd)

(8)

(9)

通過轉(zhuǎn)換，可以得到式(9)，由于μ、d、I0都是不變的，只需根據(jù)衰減后射線的強(qiáng)度I就可以得到所需的燃油密度，圖5是此測量方式的示意圖。

圖5　放射性燃油密度測量示意圖

(5)超聲波測量

超聲波測量燃油密度利用的是超聲波在燃油中的傳播過程是以縱波的形式進(jìn)行的，其傳播速度與燃油密度、聲阻抗等密切有關(guān)[13-14]，測量出燃油中的聲速即可得到燃油的密度，其表達(dá)式為式(10)。超聲波測量密度示意圖如圖6所示。

(10)

式中：c為超聲波的傳播速度，E為燃油的體積彈性模量，ρ為燃油的密度。

圖6　超聲波測量密度示意圖

2.2　各種測量方法對比

表1是各種燃油密度測量方法的優(yōu)缺點(diǎn)詳細(xì)情況，從成本、測量精度、穩(wěn)定性、自動化程度、是否與燃油接觸、系統(tǒng)可操作性以及維護(hù)性等方面進(jìn)行了對比說明。其中比重計測量與間接測量屬于靜態(tài)測量，其余測量方法屬于動態(tài)測量；諧振技術(shù)測量和超聲波測量為非接觸式測量，在密度測量過程中不易造成傳感器的污染，使得傳感器穩(wěn)定性較好。

表1　燃油密度測量方法對比表

2.3　國內(nèi)外燃油密度測量研究

我國的燃油測量技術(shù)研究起步較晚，從20世紀(jì)70年代才開始跟蹤與研究航空液位傳感器、燃油密度傳感器及其相關(guān)技術(shù)[15]，目前我國民用飛機(jī)的燃油密度測量主要采用間接方式，即介電常數(shù)與溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行測量，只有個別機(jī)型選用了數(shù)字化燃油測量系統(tǒng)，這樣導(dǎo)致燃油測量數(shù)字化程度偏低，容易造成測量系統(tǒng)的可靠性較低，測量精度偏低，平均無故障工作時間較短，占用維修時間較多。

在傳感器方面，霍尼韋爾和史密斯公司等國外大型公司大力開展數(shù)字式燃油測量系統(tǒng)技術(shù)研究，先后在波音 757、波音 767、C-130和F-22 等飛機(jī)上成功運(yùn)用放射性燃油密度傳感器和諧振式密度傳感器，結(jié)合補(bǔ)償修正技術(shù)、BIT技術(shù)等使密度測量傳感器在測量精度、可靠性和使用壽命方面有很大的提高。其中以美國F-22為代表的第四代戰(zhàn)斗機(jī)不僅更換了密度測量方法，還徹底放棄了電容式液位測量，使燃油測量系統(tǒng)發(fā)生了質(zhì)的飛越。2014年由美國UTC公司設(shè)計和生產(chǎn)的聯(lián)合技術(shù)航空系統(tǒng)被Airbus S.A.S.選中為空客A321、A319、A320和A320neo等機(jī)型提供通用燃油測量系統(tǒng)，該燃油測量系統(tǒng)提供了改良的性能和更好的可靠性，提供通用的燃油密度測量和液位探測儀、指示器和油量感應(yīng)控制裝置等。

3燃油測量技術(shù)的發(fā)展

無論是振動筒式測量、放射性同位素測量還是超聲波測量方法，每一種新型的燃油密度測量技術(shù)及其應(yīng)用都將直接或間接地提高航空燃油的測量精度和自動化水平，微電子和計算機(jī)技術(shù)在燃油測量技術(shù)發(fā)展的過程中起了決定性作用，這就決定了數(shù)字化、綜合化是航空燃油測量技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

大力開展各種新型的燃油液位和燃油密度測量技術(shù)研究，研制適合我國燃油系統(tǒng)發(fā)展需求的燃油測量系統(tǒng)，是實現(xiàn)飛機(jī)燃油管理的重要基礎(chǔ)。未來航空燃油測量系統(tǒng)的發(fā)展將集中體現(xiàn)在五個方面：一是高精度傳感器的研制，著力提高燃油測量精度，提高燃油的利用效率；二是傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與分布技術(shù)的優(yōu)化，力圖實現(xiàn)傳感器的一體化、小型化；三是測量誤差的補(bǔ)償與修正技術(shù)的完善，減小系統(tǒng)誤差；四是系統(tǒng)可靠性和維護(hù)性等的改進(jìn)，提高系統(tǒng)整體功能性；五是向智能控制發(fā)展，實現(xiàn)燃油系統(tǒng)的數(shù)字化、綜合化管理。

參考文獻(xiàn)：

[1]王向楊,等.飛機(jī)燃油測量方法研究[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

[2]李楠,呂俊芳.飛機(jī)燃油密度實時測量及其實現(xiàn)方法[J]. 航空計測技術(shù)，2002，22(1)：24-26.

[3]肖凝.飛機(jī)燃油測量技術(shù)研究與發(fā)展[J]. 航空科學(xué)技術(shù)，2003，3：31-34.

[4]趙燦.基于磁致伸縮技術(shù)的飛機(jī)燃油測量系統(tǒng)研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué),2007.

[5]劉濤. 基于磁致伸縮的燃油測量系統(tǒng)的研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2006.

[6]張欲曉,曾顯群,王新杰. 中國民用飛機(jī)燃油測量系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].航空制造技術(shù)，2010，13：38-40.

[7]謝捷如,袁慎芳. 基于諧振技術(shù)的航空燃油密度測量的研究[J].中國制造業(yè)信息化，2006，35(21)：34-36.

[8]崔玉亮,鄧鐵六,于鳳.諧振式傳感器理論及測試技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1997.

[9]李楠,呂俊芳.提高同位素測量航空燃油密度精度的方法研究[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2003，29(7)：620-623.

[10]蔣正雄,肖凝. 放射性燃油密度測量技術(shù)的應(yīng)用[J]. 航空計測技術(shù).，2003，23(1)：12-14.

[11]李楠,呂俊芳. 利用放射性同位素γ射線測量飛機(jī)燃油密度的方法研究[J].航空學(xué)報. 2002,23(6):587-590.

[12]李楠,呂俊芳. 基于物質(zhì)對輻射射線吸收原理的航空燃油密度的測量[J].飛機(jī)設(shè)計，2002，9(3)：31-34.

[13]姚明林,陳先中,張爭.超聲波液體密度傳感器[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2005，24(5)：57-60.

[14]渠曉峰.超聲波液體密度測量儀的研究與開發(fā)[D].保定：華北電力大學(xué)，2008.

[15]單寶峰,張廣濤,李景春,王斌.航空油量測量技術(shù)研究及其發(fā)展現(xiàn)狀[J].自動化儀表，2013，34(4)：31-33.

摘要：

燃油量是飛機(jī)燃油系統(tǒng)的重要組成部分，同時燃油密度的測量又是燃油測量中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為了進(jìn)一步研究提高航空燃油密度測量精度的方法，預(yù)測燃油測量未來的發(fā)展，介紹了燃油測量系統(tǒng)和密度測量的重要性，結(jié)合文獻(xiàn)分析法和定性分析法進(jìn)行了總結(jié)歸納，論述了各種燃油密度測量方法的基本原理，包括間接法、比重計法、基于諧振技術(shù)測量、放射性同位素測量以及超聲波測量，并對比分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上指出了數(shù)字化綜合化是航空燃油測量技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

關(guān)鍵詞：航空燃油；密度測量；方法；原理；燃油量

[Abstract]The amount of fuel is an important component of the aviation fuel system, while measuring the fuel density is a key link in fuel quantity measurement. To further investigate the accuracy of aviation fuel density measurements to predict the future development of fuel measurements. This paper summarizes the main methods for measuring the fuel density, including the indirect method, hydrometer measurement, based on resonance technology measurement, a radioactive isotope measurement and ultrasonic measurement, analyzes basic principle of the methods, and compares their advantages and disadvantages, with current research points out the development trend of fuel measurement technology.

[Key words]aviation fuel; density measurement; method; principle; the amount of fuel

基金項目：中國民航飛行學(xué)院新津分院青年基金項目，項目編號：XM1668。

中圖分類號：V233.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A