王卉

【摘 要】燃油測(cè)量系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段需要確定傳感器的布置方案，然后生成真值表，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生誤差。本文介紹了傳感器布置和生成真值表的方法，分析了每個(gè)階段產(chǎn)生的誤差對(duì)測(cè)量精度的影響，從而確定減小誤差的方法。

【關(guān)鍵詞】燃油測(cè)量系統(tǒng)；傳感器；精度；真值表

【Abstract】Fuel gauging system needs to provide probe placement，and generate H-V table during design phase.It introduced the method for probe placement and how to generate H-V table， analyzes the error impact on gauging accuracy，and then how to minimize the error.

【Key words】Fuel gauging system；Probe；Accuracy；H-V table

0 引言

飛機(jī)燃油測(cè)量系統(tǒng)的主要功能是為機(jī)組人員提供機(jī)上剩余油量指示，以便機(jī)組人員根據(jù)剩余油量對(duì)后續(xù)航線做出正確判斷。燃油測(cè)量系統(tǒng)的精度影響飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和安全性，因此高精度的測(cè)量系統(tǒng)是現(xiàn)代民用客機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 燃油測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)誤差的組成

油箱內(nèi)的油量傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量油面高度，然后將測(cè)得的信號(hào)發(fā)送給燃油計(jì)算機(jī)。燃油計(jì)算機(jī)根據(jù)接收到的高度信號(hào)，插值真值表得出燃油體積，然后與密度相乘，最后得到油箱內(nèi)剩余的油量。

在設(shè)計(jì)階段，燃油測(cè)量系統(tǒng)獲取系統(tǒng)級(jí)的測(cè)量精度要求之后，應(yīng)確定油箱內(nèi)傳感器的布置方案，然后確定油量解算的方法。這兩部分工作都會(huì)給測(cè)量系統(tǒng)帶來(lái)誤差，即傳感器布置的誤差和油量解算的誤差。

2 傳感器布置的誤差分析

2.1 測(cè)量連續(xù)性

如果不考慮傳感器自身的測(cè)量誤差和安裝誤差，那么對(duì)于每根傳感器而言，只有“測(cè)得到”和“測(cè)不到”的區(qū)別。所謂“測(cè)得到”就是指?jìng)鞲衅骺梢愿惺艿接兔娓叨鹊淖兓?，這種傳感器稱之為有效的傳感器；而“測(cè)不到”也就是感受不到油面高度的變化，將其稱之為無(wú)效的傳感器。

圖1即為有效傳感器，有一部分浸沒在燃油中。

圖1 有效的傳感器

如果傳感器完全浸沒在燃油里，如圖2所示；或者完全露出油面，如圖3所示，那么這種就是無(wú)效傳感器，因?yàn)檫@種傳感器無(wú)法測(cè)量到真實(shí)的油面。

圖2 完全浸沒在燃油中的傳感器

圖3 完全露出油面的傳感器

顯然，只有處于圖1所示的狀態(tài)的傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)是有用的。

在飛行過(guò)程中，由于飛機(jī)姿態(tài)，油箱結(jié)構(gòu)，燃油消耗等因素的影響，油箱內(nèi)的油面始終都是在變化的。在布置傳感器時(shí)，應(yīng)保證當(dāng)飛機(jī)在規(guī)定的姿態(tài)范圍內(nèi)變化時(shí)，每個(gè)油箱內(nèi)至少有一根傳感器能處于有效測(cè)量的狀態(tài)。這樣才可以始終獲得這個(gè)油箱內(nèi)的油面高度信號(hào)。這也就是測(cè)量的連續(xù)性要求。

2.2 不可測(cè)油量

由于傳感器安裝位置的限制，每根傳感器都存在不可測(cè)的區(qū)域，即測(cè)量死區(qū)，如圖4所示?？梢钥闯?，無(wú)論傳感器如何安裝/布置，這個(gè)不可測(cè)油量都是存在的，而且不可測(cè)油量越大，測(cè)量的誤差也就越大。

圖4 傳感器的不可測(cè)油量

2.3 小結(jié)

將“測(cè)量連續(xù)性”和“不可測(cè)油量”結(jié)合在一起考慮就會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果可以保證測(cè)量的連續(xù)性，那么最終影響測(cè)量精度的是以下兩部分之和：

1）處于油箱最低位置的傳感器的底部不可測(cè)油量；

2）處于油箱最高位置的傳感器的頂部不可測(cè)油量。

也就是圖5所示的陰影部分。因?yàn)槿绻梢员ＷC測(cè)量的連續(xù)性，在1號(hào)傳感器的最低感受點(diǎn)以上的部分，和5號(hào)傳感器的最高感受點(diǎn)以下的部分，都至少有一根傳感器是部分浸沒在燃油里的。

圖5 傳感器組合的不可測(cè)油量

因此在布置傳感器時(shí)，應(yīng)該保證以下兩點(diǎn)以求實(shí)現(xiàn)誤差最?。?/p>

1）在規(guī)定的飛機(jī)姿態(tài)范圍內(nèi)，確保測(cè)量的連續(xù)性；

2）不可測(cè)油量最小化。

3 油量解算的誤差分析

3.1 油量解算的前提

油量解算以真值表為基礎(chǔ)，根據(jù)傳感器測(cè)得的油面高度信號(hào)插值，得出當(dāng)前的燃油體積。

為了保證燃油計(jì)算機(jī)使用有效的傳感器數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)時(shí)，每根傳感器都有特定的負(fù)責(zé)區(qū)域。這根傳感器的數(shù)據(jù)只用于計(jì)算這個(gè)特定區(qū)域內(nèi)的體積/油量。這個(gè)特定區(qū)域稱為隔艙，通常根據(jù)油箱的連通性劃分。以油箱內(nèi)的密封肋和半密封肋為分界線，因?yàn)樵谶@些肋的兩側(cè)油面容易出現(xiàn)階梯的情況，如圖6所示。針對(duì)這種情況，一個(gè)油箱分為A和B兩個(gè)隔艙，1號(hào)和2號(hào)傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)中用于計(jì)算隔艙A的油量，2號(hào)傳感器的數(shù)據(jù)只用于計(jì)算隔艙B的油量。也就是說(shuō)，各個(gè)隔艙內(nèi)的的油量單獨(dú)計(jì)算，最后相加得到總油量。

圖6 油面“階梯”

3.2 油量解算的方法

常見的油量解算的方法有兩種：

1）每根傳感器生成一個(gè)真值表

這個(gè)真值表包含不同姿態(tài)下，不同油面高度下，傳感器測(cè)量高度和燃油體積的數(shù)據(jù)。

燃油計(jì)算機(jī)根據(jù)每根傳感器測(cè)得高度數(shù)據(jù)，插值真值表。如果一個(gè)隔艙內(nèi)有多根傳感器，那么將其結(jié)果取平均值。

2）每個(gè)隔艙生成一個(gè)真值表

這個(gè)隔艙只有一個(gè)真值表，每根傳感器測(cè)得的信號(hào)都在這個(gè)真值表中插值，最后得出這個(gè)隔艙的燃油體積。

這里采用一個(gè)隔艙對(duì)應(yīng)一個(gè)真值表的方法。

3.3 生成真值表

從油箱結(jié)構(gòu)連通性的角度考慮，將油箱劃分為若干個(gè)隔艙，認(rèn)為每個(gè)隔艙是一個(gè)獨(dú)立的單元，單獨(dú)計(jì)算這個(gè)單元內(nèi)的油量，最后將所有單元相加，得出油箱內(nèi)的總油量。

下面以一個(gè)隔艙為例，說(shuō)明如何生成真值表。

1）確定基準(zhǔn)傳感器

確定一個(gè)飛機(jī)姿態(tài)，計(jì)算不同油面高度下的油面的面心，然后將各個(gè)面心擬合成一條直線。如果將傳感器按照這根直線的位置安裝，那么傳感器始終處在面心的位置測(cè)量，姿態(tài)誤差最小。將這根實(shí)際不存在的傳感器稱為基準(zhǔn)傳感器。

2）生成基準(zhǔn)傳感器的真值表

仍基于這個(gè)飛機(jī)姿態(tài)角，從基準(zhǔn)傳感器的最低點(diǎn)開始，以確定的步長(zhǎng)，用平行于水平面的平面切割油箱，計(jì)算這個(gè)切割平面下方的燃油體積。這樣就可以得到一組H-V的數(shù)據(jù)。

3）更改飛機(jī)姿態(tài)，重復(fù)上面兩個(gè)步驟。

這樣，針對(duì)每個(gè)飛機(jī)姿態(tài)，都可以得到一組H-V數(shù)據(jù)。最終生成的是不同姿態(tài)下的H-V數(shù)據(jù)。

3.4 插值真值表

如圖7所示，P0是基準(zhǔn)傳感器，P1是油箱布置的真實(shí)的傳感器。真值表中記錄的H0，傳感器測(cè)得的是H1，因此需要根據(jù)P1和P0的相對(duì)位置關(guān)系，將H1轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的H0，然后插值，得到體積。

圖7 真實(shí)傳感器與基準(zhǔn)傳感器的位置關(guān)系

如果這個(gè)隔艙內(nèi)布置了多根傳感器，就將各個(gè)傳感器插值得到的結(jié)果取平均值。

3.5 小結(jié)

通過(guò)上述分析可以看出，插值的結(jié)果是否準(zhǔn)確主要取決于真值表數(shù)據(jù)的“密度”。即真值表的數(shù)據(jù)越密，即步長(zhǎng)越短，由于插值引起的誤差就越小。

4 設(shè)計(jì)時(shí)測(cè)量精度的驗(yàn)證

4.1 檢查測(cè)量連續(xù)性

將傳感器位置坐標(biāo)導(dǎo)入油箱數(shù)模，然后確定最大的姿態(tài)角，以該平面切割油箱數(shù)模，檢查是否存在某些區(qū)域不可測(cè)的情況。如圖8所示，當(dāng)油面在圖中的陰影部分變化時(shí)，1和2號(hào)傳感器都無(wú)法檢測(cè)到油面高度。那么，這就是屬于測(cè)量不連續(xù)的情況。

圖8 測(cè)量不連續(xù)示意圖

4.2 計(jì)算精度

在導(dǎo)入傳感器坐標(biāo)之后，給定油量/體積V1，然后得到每根傳感器的測(cè)量高度，再根據(jù)這個(gè)測(cè)量高度，插值真值表，得出體積V2，那么當(dāng)前傳感器布置方案的誤差為（V2-V1）/V1。

4.3 小結(jié)

采用這種驗(yàn)證方法基于一個(gè)前提：假設(shè)使用的油箱數(shù)模是100%準(zhǔn)確的。這種方法有利于：

1）確認(rèn)布置方案是否滿足測(cè)量連續(xù)性的要求；

2）在保證了連續(xù)性的前提下，可以計(jì)算出油量解算，即真值表的精度。

5 誤差分析

通過(guò)上文的分析，影響測(cè)量系統(tǒng)精度的原因有：

1）不能保證測(cè)量的連續(xù)性；

2）不可測(cè)油量；

3）真值表的精度。

其中測(cè)量的連續(xù)性，在確定了飛行姿態(tài)之后，在設(shè)計(jì)過(guò)程中是完全可以保證的。不可測(cè)油量是由于傳感器安裝引起的，只能在便于安裝/拆卸的前提下，盡量減小傳感器的不可測(cè)油量。真值表的精度是由計(jì)算時(shí)采用的步長(zhǎng)和計(jì)算使用的油箱模型的精度決定的。在生成真值表時(shí)，是基于一個(gè)簡(jiǎn)化的油箱模型開展的，因此這個(gè)簡(jiǎn)化模型越接近真實(shí)模型，切割模型得到的體積就越準(zhǔn)確。同時(shí)，真值表的步長(zhǎng)越小，數(shù)據(jù)越密，插值的誤差就越小。

因此，在驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)精度時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)測(cè)量精度不滿足要求，可通過(guò)優(yōu)化簡(jiǎn)化的油箱模型和減小真值表的步長(zhǎng)提高測(cè)量精度，直至滿足要求。