王 卉

(上海飛機設(shè)計研究院動力燃油部，上海 201210)

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飛機燃油系統(tǒng)油量傳感器布置方法

王 卉

(上海飛機設(shè)計研究院動力燃油部，上海 201210)

燃油油量傳感器的布置是影響燃油指示系統(tǒng)測量精度最重要的因素。本文對油量傳感器的布置方法和油量解算的方法展開了研究和討論，并且分析了單點故障要求下的傳感器布置方法，以及如何減小單點故障對精度的影響，同時初步探討了油箱變形對傳感器布置的影響。

油量傳感器；油量解算；測量精度；單點故障；油箱變形

0 引言

現(xiàn)代客機均采用的數(shù)字式燃油指示系統(tǒng)主要由油量傳感器和燃油計算機組成。燃油計算機根據(jù)油箱內(nèi)的油量傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行油量解算，得出當(dāng)前油量。因此，傳感器的布置方案和油量解算的方法都會影響精度。在燃油指示系統(tǒng)的設(shè)計階段，可以從這兩個方面入手提高指示系統(tǒng)的精度。

1 燃油油量傳感器布置的基本原則

1)傳感器安裝位置可行性原則

a.避開管路、口蓋和設(shè)備，以及吸油口；

b.考慮是否便于安裝。

2)內(nèi)油量傳感器與油箱壁距離原則

按照傳感器安裝與拆卸、閃電防護等要求，內(nèi)裝式油量傳感器與油箱壁(油箱頂部與底部)之間必須保持一定距離，避免產(chǎn)生火花。

3)補償傳感器安裝位置限制性原則

現(xiàn)代客機補償傳感器通常與油量傳感器集成為一體。工作過程中，要求補償傳感器始終浸入燃油，通常安裝在集油箱的低點。

4)密度計的布置

如果燃油密度計只在地面加油時使用，空中不采集其數(shù)據(jù)，應(yīng)將其放置在可以及時感受到燃油混合的位置。有的密度計在空中實時測量，那么就應(yīng)該將其布置在集油箱內(nèi)。

5)油量傳感器布置應(yīng)能滿足頂部與底部不可測油量的要求

由于傳感器的安裝位置和高度不同，在不同油面情況下，會出現(xiàn)某些傳感器不能感受到油面變化的情況，這就是測量死區(qū)。傳感器測量死區(qū)示意圖見圖1。

圖1 傳感器頂部和底部不可測油量

在油面低于或超出油量傳感器探測區(qū)域時，油量測量會具有底部或頂部不可測油量。

6)油量傳感器布置應(yīng)保證常見飛行姿態(tài)下高度測量的連續(xù)性

從圖2可以看出，當(dāng)飛機在某個姿態(tài)下，導(dǎo)致燃油油面在直線a和b之間變化時，1和2都不能感受到油面的變化，只有中間新增的傳感器3才可以感受到當(dāng)前油面的高度。

圖2 傳感器測量油面高度連續(xù)性原理示意圖

7)油量傳感器布置應(yīng)能保證在常見飛行姿態(tài)下測量姿態(tài)誤差小

應(yīng)盡量將傳感器靠近油面的面心布置以減小姿態(tài)誤差。

2 油量傳感器布置流程

1)需要考慮可行性安裝位置

利用CATIA軟件以油箱數(shù)模為基礎(chǔ)，初步確定每根翼肋附近的可行安裝區(qū)域，然后對該區(qū)域進行離散化處理。

2)考慮頂部與底部不可測油量約束

考慮到燃油流動的連通性，利用密封肋和半密封肋將油箱劃分為若干個隔斷，針對每個隔斷進行分析。

設(shè)置傳感器的底部與頂部不可測油量，通過篩選保留下來同時滿足頂部和底部不可測油量的傳感器。

3)綜合考慮油位測量連續(xù)性約束

傳感器配對。即從滿足頂部不可測油量的傳感器組A中選取一根，與滿足底部不可測油量的傳感器組B中的一根形成一對組合C，做到一一遍歷。然后對組合C進行測量連續(xù)性考察。

a.確定最大飛機姿態(tài)角對應(yīng)的油平面。以圖3為例，假設(shè)最大姿態(tài)角下的油平面是平行于直線a和直線b的，那么如果只考察1和2號傳感器，當(dāng)油平面在a和b之間的區(qū)域變化時，沒有傳感器可以測量，因此需要增加3傳感器。

b.過3號傳感器的最低點，做平行于直線a的直線c，這時可以看到a和c之間，b和c之間，仍然沒有傳感器可以測量，因此需要分別針對這兩個區(qū)域再增加傳感器。

c.在增加4和5號傳感器之后，以相同的方式檢查。可以看到，此時這5根傳感器可以保證在最大姿態(tài)下，始終有一根傳感器可以感受到油面變化的情況。因此這個組合滿足測量連續(xù)性的要求。

d.對每一個傳感器組合都采用這種方式檢查，確保最終每個組合都可以滿足測量連續(xù)性的要求。

圖3 測量連續(xù)性約束考察

4)確定最終傳感器布局

考慮正常油位狀態(tài)下測量姿態(tài)誤差約束，以傳感器數(shù)量最少時，總姿態(tài)誤差最小確定最終傳感器布局。

5)放置密度計和補償傳感器

根據(jù)實際情況確定是否需要在空中測量燃油密度，然后按照第1節(jié)提到的原則布置密度計。

在布置補償傳感器時，應(yīng)保證將其始終浸沒在燃油里，因此通常將補償傳感器安裝在集油箱的低點。

3 燃油量解算的方法

首先離線生成一個傳感器的真值表，該真值表中包含了不同姿態(tài)下，不同的傳感器測量高度H所對應(yīng)的燃油量體積V，即H-V曲線。生成真值表的主要步驟如下：

1)確定某一飛行姿態(tài)，通過傳感器上的某個點(對應(yīng)某測量高度)，以平行于大地的平面切割油箱數(shù)模，得到剩余的油箱體積；

2)保持飛行姿態(tài)不變，遞增/遞減傳感器的測量高度，得到一組H-V曲線；

3)遞增/遞減飛行姿態(tài)角，重復(fù)上述兩個步驟，最后得到不同飛行姿態(tài)對應(yīng)的H-V曲線。

燃油計算機獲取傳感器的數(shù)據(jù)H后，對真值表進行插值后得出V，根據(jù)由補償傳感器、密度傳感器信號確定的燃油密度ρ即可計算出油箱中的燃油油量m(kg)。

4 單點故障下的傳感器布置方法

為了提高燃油指示系統(tǒng)的可用性，應(yīng)該考慮在出現(xiàn)單點故障的情況下，指示系統(tǒng)能否繼續(xù)工作，為飛機提供油量指示。

4.1 減小單點故障影響的方法

為了減小單點故障對傳感器的影響，可采取以下幾種方法：

1)每個油箱內(nèi)傳感器采用分組布置的方法

油箱內(nèi)的電纜通常采用菊花鏈的設(shè)計方法，即串聯(lián)所有的傳感器，如果某一根導(dǎo)線或傳感器故障，這束電纜上所有傳感器數(shù)據(jù)全部喪失，那么也就會喪失該油箱內(nèi)的油量數(shù)據(jù)。為了避免單點故障造成油量指示喪失，可將油箱內(nèi)的傳感器分組布置。如圖4所示，油箱內(nèi)布置A和B兩組傳感器，黑色代表A組傳感器，白色代表B組傳感器，這兩組傳感器采用獨立的電纜傳輸。

2)余度設(shè)計

在每個位置放置兩根傳感器，并通過兩束獨立的電纜傳輸這兩根傳感器的信號。傳感器和導(dǎo)線都有備份。

3)軟件實現(xiàn)故障重構(gòu)

當(dāng)某根傳感器故障時，可利用與它鄰近的3根傳感器測得的高度數(shù)據(jù)確定當(dāng)前的油平面，從而反算出故障的傳感器的測量高度，然后進行插值計算。

4.2 單點故障下的誤差分析

如果傳感器和導(dǎo)線均采用余度設(shè)計，那么在出現(xiàn)單點故障時，精度是不會降低的。下面對非余度設(shè)計的布置方案下的單點故障對精度的影響進行分析。

4.2.1 精度要求

1)正常情況下，誤差不應(yīng)超過指示值的0.5%，滿油的1%；

2)單點故障時，誤差不可超過指示值的1%，滿油的2%。

4.2.2 誤差分析

布置傳感器時既需要保證正常情況下的精度要求，又需要考慮只有一組傳感器工作時的精度。假設(shè)A組內(nèi)的某個傳感器或者導(dǎo)線發(fā)生了故障，導(dǎo)致A組傳感器數(shù)據(jù)全部喪失。此時，可利用B組的數(shù)據(jù)計算油量。那么此時B組的傳感器精度能否滿足要求呢？

1)首先確定方案

在開始布置傳感器時就應(yīng)確定油箱內(nèi)采用兩組傳感器的方案，然后對每組傳感器單獨進行布置。

圖4 采用兩組傳感器的布置方案

2)確定精度要求

由于在喪失一組傳感器信號時，已經(jīng)為“單點故障”的模式，此時的誤差要求為“指示值的1%，滿油的2%”。

3)測量連續(xù)性要求

以飛機最大姿態(tài)角作為約束，確定可以滿足此要求的兩組獨立的傳感器。

4)頂部和底部不可測油量要求

假設(shè)經(jīng)過上一步后，確定的兩組分別包含了10根傳感器的組合，然后針對每組傳感器進行分析。

圖5示意了某個油箱內(nèi)的頂部和底部不可測油量的約束考察。

圖5 不可測油量約束考察

根據(jù)圖5所示，確定每組傳感器中最靠近翼根和翼尖的傳感器，然后分別計算這兩根傳感器底部不可測油量和頂部不可測油量。此時的誤差上限為2%(160kg)，考慮到油箱制造、傳感器制造和安裝、傳感器計算分析的建模等方面的誤差，可將此處的不可測油量要求盡量控制在比較小的范圍內(nèi)，如0.2%，即16kg。檢查這兩根傳感器是否滿足不可測油量16kg的要求，如果不滿足，則需要增加傳感器，直至滿足該要求。

5)兩組結(jié)合進行考察

由于單組傳感器可以滿足測量連續(xù)性要求，那么合并在一起的組合必然也是滿足該要求的。然后考察此時的不可測油量要求，如果不滿足，再在翼根和翼尖增加傳感器，直至滿足要求。

通過上述方法布置的傳感器即可滿足正常情況和單點故障時的精度要求。

5 油箱變形對傳感器布置的影響

由于重力影響，油箱在加滿油時會有一個變形，與空油箱的情況不同?？梢钥沼拖涞臄?shù)模為基礎(chǔ)，先進行傳感器布置，然后再將布置方案導(dǎo)入有變形的油箱模型，考察是否能滿足要求。

1)測量連續(xù)性

由于測量的連續(xù)性在不考慮油箱形變的情況下已經(jīng)考察過了，因此一般不會再出現(xiàn)問題，接下來只需對不可測油量進行校驗。

2)不可測油量

圖6是通過傾斜傳感器的角度解決不可測油量不滿足要求的一種方案。由于翼根和翼尖是發(fā)生形變最大的地方，因此應(yīng)取最靠近翼尖和翼根的兩個隔艙進行考察。如果不可測油量要求不能滿足，那么可嘗試調(diào)整最靠近翼根和翼尖的傳感器傾斜的角度，或者適當(dāng)增加傳感器的高度，以增大傳感器的測量范圍，最終保證滿足底部和頂部不可測油量要求。

圖6 傾斜最靠近翼根和翼尖的傳感器

6 結(jié)論

根據(jù)上述分析可以看出，在燃油指示系統(tǒng)設(shè)計過程中，可以從兩方面提高測量的精度：

1)合理布置傳感器。在要求的姿態(tài)范圍內(nèi)可連續(xù)測量，即至少有一根傳感器可有效感受到油面的變化情況；傳感器的頂部和底部不可測油量必須滿足要求。

2)合理設(shè)計真值表。當(dāng)保證了上述兩點之后，就可以保證在要求的姿態(tài)范圍內(nèi)，始終“測得到”油量，然后進行油量解算。如果真值表的數(shù)據(jù)足夠密，那么由于油量解算造成的誤差就會非常小，在這種情況下，傳感器的布置是影響精度的主要因素。

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.08.11