飞机燃油液位测量方法综述

2016-05-06李大成海装装备采购中心

大陆桥视野 2016年4期

关键词：燃油传感器测量

李大成/海装装备采购中心

飞机燃油液位测量方法综述

李大成/海装装备采购中心

【摘要】长期以来，广大工程技术与研究人员一直致力于提高飞机燃油系统的测量精度，研制出了许多基于机械、振动、超声波、电磁、电、光、辐射等原理的液位传感器，本文主要对各种不同的燃油测量方法进行介绍。

【关键词】燃油；传感器；测量

飞机油量测量系统是指在地面和飞行状态下，连续测量和指示飞机可用燃油质量的系统，它比普通情况下的油量测量更为复杂。首先由于飞机上空间十分宝贵，必须尽可能提高空间利用率，因此飞机上油箱的形状都不太规则，必须通过较为复杂的计算将液位高度转换成燃油体积；其次飞机在飞行过程中姿态经常发生变化，从而引起油面的倾斜，给燃油体积的测量结果带来误差，因此必须进行姿态误差补偿；再次燃油的密度受产地、温度、压力等因素影响，这些因素的变化会导致燃油体积发生变化，从而给燃油质量的计算带来误差，因此必须进行燃油密度补偿。燃油系统先通过油位传感器测量液位高度，再根据油箱的形状参数和飞机飞行的姿态参数综合计算出燃油的体积，最后再乘以燃油密度传感器的测量结果从而得到燃油质量。在以上过程中，燃油液位的精确测量是燃油量精确测量的先决条件，因而提高燃油液位传感器的精度和性能对于提高飞机燃油测量系统的性能有着重要意义。

长期以来，广大工程技术与研究人员一直致力于提高飞机燃油系统的测量精度，并对各种测量方法进行了尝试，研制出了许多基于机械、振动、超声波、电磁、电、光、辐射等原理的液位传感器，但是由于飞机油量测量的复杂性、实现难度和制造成本等方面的因素，只有少数测量方法得到了应用。

早期的飞机上使用浮子式传感器进行液位测量，而在有些比较简陋的飞机上甚至只在起飞之前使用油尺测量油箱中的油量，在飞行过程中则依赖飞行员的经验来判断油箱中的剩余油量；二战以后，飞机上大量采用电容式油量测量技术，并在最近二三十年间对电容式传感器进行数字化，提高了传感器的性能及可靠性；近年来，国外航空界对超声波式传感器进行研究，并将其用于飞机油量测量，但并没有取得很好的效果，因此工程技术人员仍在寻求电容式传感器的其他替代技术。下面将就飞机燃油液位测量技术的应用现状与未来发展趋势进行简要介绍。

1.油尺

在一些简陋的飞机上，曾经使用过油尺来检测飞机在地面加油过程中以及起飞前的油量，这种测量方法是在其他测量方法失效时的唯一可信赖的测量方法。现在人们一般使用磁性浮子油尺，使用时，松开油尺的卡锁机构，使油尺在重力的作用下下坠，当油尺在浮力的作用下停止时，读取油尺上的刻度，即可得到油箱中的油量。油尺是最原始、简单、可靠的油位测量手段，但是不能实现实时测量，也不能通过数据总线将油量数据提供给飞行控制系统，因此无法实现其智能化。

2.浮子式油位传感器

早期的飞机上曾经用过浮子式油位传感器。它是利用燃油的浮力来改变浮子的位置，并带动电刷来改变电桥的桥臂阻值，对电桥的输出进行测量即可得到液位。浮子式传感器具有原理简单、成本低等特点，但其测量范围小，指示误差大，容易发生故障，现在只在一些旧型飞机和小型飞机上使用。

近年来，人们对浮子式油位传感器进行了改进，又提出了磁致伸缩式液位传感器。磁致伸缩式传感器利用磁性浮子来感受液位变化。测量时，液位计头部发出低电流“询问”脉冲，该电流产生的磁场沿波导管向下传导。当电流磁场与浮子磁场相遇时，产生“返回”脉冲（也称“波导扭曲”脉冲）。询问脉冲与返回脉冲之间的时间差即对应油水界面和油气界面的高度。其优点是测量精度高，结构简单，可靠性高,抗干扰能力强，抗污染、抗振等性能均良好。但仍然不适合于飞机燃油液位测量，原因是在该传感器中仍然存在可动部件——磁性浮子，由于飞机飞行过程中油箱晃动十分剧烈，磁性浮子不可避免的要与轴发生接触和摩擦，这样磁性浮子在飞机处于某些姿态时就有可能“粘”在轴上，无法回到正常液位。这种可靠性方面的问题限制了磁致伸缩式传感器在飞机上的应用。

3.电容式油位传感器

二战以后，电容式油量测量技术开始在飞机上大量采用。从上世纪70年代开始，美、英、德、法、日等国相继开始研究数字式电容式传感器，采用双余度的计算机，使用线性电容式传感器测量油位，利用放射性元素Am241作放射源直接测量燃油密度，并通过飞机姿态传感器的测量结果和油箱的形状来综合计算油箱中的剩余油量。由于其具有独特的优势，目前商用和军用飞机仍然选用传统的电容式传感器，例如在波音公司的B787客机，空中客车公司的A380客机、A350超宽体客机以及洛克希德.马丁公司的F35战斗机全部都将电容式测量作为燃油量测量的首选技术。

图1 电容式油位传感器原理图

电容式油位传感器是利用燃油与空气的介电常数的不同进行液位测量的。如图1所示，在一个总高度为h，液面高度为x，内电极半径为R1，外电极半径为R2的同心圆柱形电容器中，传感器的总电容为

其中ε1为被测燃油介电常数，ε0为真空介电常数。由式1.1可知，输出电容与燃油液面高度变化x成线性关系。

早期的电容式传感器为模拟式传感器，它采用自平衡式测量电路将对应于燃油油量的电容量转换为仪表盘中指针的转角。为了克服“边缘效应”（在电容电极边缘处，电场线不再垂直于极板，因此在此处电容值不再与液位成线性关系），同时使被测液位与油量值成线性关系（为了充分利用飞机的内部空间，油箱被设计成与机体、机翼形状相关的不规则体，而不是规则的柱状体），模拟式传感器中的内电极管被制成与油箱形状有关的成型剖面，同时通过增加传感器数量和采用补偿传感器（补偿因燃油密度和温度变化而引起的燃油介电常数的变化）等方法来提高燃油测量精度。但是由于飞行中油箱姿态随时可能发生改变，导致传感器浸没长度发生变化从而引起姿态误差，同时燃油密度会随着产地、温度、气压的改变而发生变化，而燃油测量系统却无法直接对密度进行测量，因此电容式传感器测量精度较低，。此外由于传感器需要进行非线性补偿，致使传感器的制造工艺相当复杂，系统的标定与校准过程也十分费时，显然无法满足新一代飞机的性能需求。

相比模拟式传感器而言，数字式电容传感器在精度和可靠性方面有了很大的提高，但仍无法克服电容式传感器的一些固有缺陷。比如说标定校准困难、连接线复杂、水污染等等。

以上这些因素影响了电容式传感器的性能和可维修性，并且在目前技术条件下尚无法克服电容式传感器的这些缺点。由于电容式传感器是目前飞机上最主要的液位传感器，因此研究电容式传感器的替代技术对于飞机燃油测量系统性能的提高具有重要意义。

4.流量式燃油油量传感器

在一般飞机燃油检测过程中，流量式油量传感器由于存在累积误差而经常作为电容式液位传感器的补充。即用涡轮式流量测量系统测量总油量，用电容式油量测量系统测量单个供油箱的油量。

流量式油量传感器并不直接对油箱中的油位或油量进行测量，而是安装在主供油管路上，对发动机的耗油量进行测量，并根据飞机起飞时的总载油量推算出油箱中的剩余油量。流量式传感器主要有容积式涡轮流量传感器和质量式涡轮流量传感器两种。

容积式涡轮流量传感器是一种与流过的燃油体积流量成正比的电信号转换器。当燃油流经传感器时，传感器中的叶轮在燃油的带动下以某种转速转动，并通过磁转子结构、磁开关结构或磁阻等原理转变为电脉冲信号。在测量中，对单位时间内的电脉冲数进行计数，即可得到燃油的实时体积流量；同时将起飞后的体积流量对时间进行积分，再乘以给定的密度值，即可得到当前已消耗的燃油油量；最后用飞机的总载油量减去累计总耗量，从而得出飞机中的剩余油量，其计算公式为

式中mrem为飞机油箱中剩余油量，单位为kg；mus为起飞前飞机油箱中的可用油量，单位为kg；N为电脉冲数；B为换算系数，对应于1m3燃油流经传感器所产生的脉冲数；ρf为给定的燃油密度，单位为kg/m3。由于飞机油箱内燃油温度是随飞行状态和气候变化的，而燃油密度又是随温度变化的，因此容积式涡轮流量传感器存在误差，必须对燃油密度进行实时修正。

对于燃油温度变化较大的油量测量系统而言，采用质量式涡轮流量传感器具有更高的测量精度。质量式涡轮流量传感器的工作原理是根据牛顿定律，通过给流过传感器的燃油流体施加角速度所需的力矩来度量燃油的质量流量的，流量计算公式如下

式中Mf为燃油的惯性力矩，单位为N•m；qf为燃油的质量流量，单位为kg/s；ωf为燃油的旋转角速度，单位为1/s；Rav为叶轮在纵向通道内的平均半径，单位为m；K为常系数，单位为1/m2。

影响涡轮式流量传感器测量精度的主要因素有小流量误差、温度误差和位置误差。由于飞机发动机由慢车状态加速到全加力状态过程中的耗油量在很大范围内变化，因此流量传感器在偏离设计流量时误差增加，特别是在小流量状态下。燃油黏度变化对测量精度也有影响，对燃油温度变化较大的高速飞机，燃油黏度变化较大，黏度低的燃油流中速度分布比黏度高的燃油流中的更均匀，误差也更小。涡轮式流量传感器安装在在水平位置（传感器轴线平行于加速度矢量）或垂直位置（传感器轴线垂直于加速度方向）一般不影响测量精度，但对于高速飞机，由于加速度大，对于水平安装的传感器，其轴向力大，因而误差也大。

5.超声波式燃油液位传感器

超声波传感器是目前在飞机燃油测量中得到应用的唯一的新技术。波音公司的B777客机和洛克希德.马丁公司的F22猛禽战斗机率先采用超声波式传感器进行燃油测量，但是在使用过程中超声波式传感器出现了一些可靠性方面的问题，因此该方法还没有得到实质性推广。

图2 超声波式液位传感器工作原理

图3 泄露模式光纤液位传感器原理图

超声波式传感器利用超声波在不同密度介质分界面上产生反射的特性进行液位测量，其原理如图2所示。传感器由声速计和探头组成，在声速计和探头的底部都装有超声波发生器，发出的超声波在遇到反射体和燃油-空气界面后会被反射回油桶底部并被接收器接收到；声速计中声波至目标体的往返时间为TT，探头中声波至油面的往返时间为TS，D为发射器离目标体的已知距离，L为发射器离油面的位置距离。通过声速计可测得燃油中的声速为

这样可以通过声速来计算油箱底部距离油面的距离

将式1.4代入式1.5即可得到液位数据

这样根据测得的超声波脉冲信号的反射时间、油箱的液位-油量曲线，以及与燃油密度相对应的声速数据，经微处理器处理和计算便可获得油箱中的油量。

与电容式传感器相比，超声波传感器测量精度更高，可达±0.2%；在油箱内部没有电器件，安全性能高，抗电磁干扰能力强，外部接线也较为简单；抗污染能力强，因为超声波本身就具有清洗作用。但超声波传感器也存在一些缺点：盲区、姿态误差以及泡和油-水界面反射等等。考虑到由于飞机飞行过程中油箱晃动十分剧烈，可能会造成一定的姿态误差，以及它所存在的盲区等因素，限制了超声波式燃油液位传感器在飞机上的应用。

6.电阻式油量传感器

电阻式油量传感器一般用来判断特定点的油位情况。由于飞机燃油油面晃动程度剧烈，因此该方法在测量飞机燃油液位上还没有得到推广应用。电阻式液位测量的敏感元件是热敏电阻。热敏电阻采用半导体材料制成，具有耗散特性，可以将温度的变化转换成电阻的变化。将传感器的敏感元件安置在某一特定的液位高度，当液位上升或下降至预定高度时，由于热敏电阻器件浸入或露出液面，从而改变了其电阻值的大小。这样，通过检测电阻值的变化，便可以探测在某一点高度的液位情况。热敏电阻易于安装，耐腐蚀、耐磨损，抗震性能好，耐冲击，使用寿命较长，但是热敏电阻的阻值也会随着温度变化而变化，所以要进行精确的液位测量，还需要对液体温度进行一定的控制。

7.放射性液位传感器

放射性液位传感器虽然不能够用来检测飞机燃油，但对于一般要求不是很高的场合还是比较实用的。放射性液位传感器是通过检测具有放射性同位素射线α射线、β射线、γ射线的穿透和反射信号的强度来达到探测液位信息的目的。其中，γ射线的穿透力强，射程远，故在核辐射液位测量中广泛采用。实验证明，穿过物质前后γ射线强度会发生变化。在放射线辐射源与检测器之间有吸收物质时，由于射线强度会随液位高度而改变，而检测器的输出与液位高度相关，通过检测被吸收的能量大小，即可得出被测液位高度的信息。这种传感器的测量原理使得它适用于易燃易爆，具有腐蚀性和毒性的测量环境。但是由于射线容易衰减，会导致测量的精确度不够，还有危害人体健康的危险。

8.光纤液位传感器

近年来，随着光纤传感技术和光电子技术的发展，已研制出各种形式的光纤传感器。与传统传感器相比，光纤传感器灵敏度高，抗电磁干扰能力强，耐高压，耐腐蚀，质量轻，体积小，便于与计算机相连接，响应速度快，特别是其本质安全性使其在易燃易爆环境下仍然能够安全使用。光纤传感器的这些特点，使其非常适合于飞机燃油液位测量。

这类测量系统一般还具有体积小、重量轻、无动作部件、安装方便等优点，大多可适用于任何液位的测量与控制，特别适用于有腐蚀性的液体液位测量，精度很高。基于光纤传感器的液位测量主要有以下几种方法。

8.1泄漏模式螺旋形光纤液位传感器

泄漏模式光纤液位传感的原理如图3所示。通过液位的变化，引起光纤泄漏模的变化，从而导致光强度发生变化来实现液位的测量。该传感器结构简单、容易实现、成本低，没有可动部件，抗干扰能力强。虽然目前尚无可工业化应用的侧面泄漏式光纤液位传感器，但它的这些特点使其十分适合于飞机燃油液位测量。

8.2遮光式光纤液位传感器

遮光式光纤液位传感器利用了传统的浮子式液位计的原理，加上光纤传光系统组成。如图4所示，由光源发出的光，经光纤传送到遮光转盘，转盘上均匀分布着一系列光窗，光窗位置的设计与液面高度相关。当液面高度变化时，浮子带动遮光盘旋转，测出通过遮光盘的光脉冲数目即可知道液面升高或降低的相对高度。它具有结构简单，容易实施等优点，但是缺点精度不高，且只能测出液面的相对高度，系统体积也较大。对于测量飞机燃油液位来说，该传感器利用了传统浮子式液位计的原理，对油面晃动比较敏感，因此不太适合测量飞机燃油。

图4　遮光式光纤液位传感器原理图

8.3磁式光纤液位传感器

磁式光纤液位传感系统如图5所示，主要由导柱、浮体、液位探测器三部分组成。其原理图中(1)表示遮光片，(2)表示浮体，(3)表示探测装置，(4)表示弹簧片，(5)表示导柱，(6)表示光纤孔，(7、8)表示永久磁铁。导柱嵌装有等距排列的永久磁铁，永久磁铁磁极交替排列。导柱两端分别固定在夹持件的两端，主要作为磁性刻度尺和浮体升降的导轨使用。浮体为中空的圆环壳体，套装在磁性导柱上，并漂浮在液体的表面，随着液面沿着导柱上下移动。当浮体沿着导柱上下移动时，浮体内磁铁将受到导轨上交替排列的磁铁反复吸引、排斥，导致固定要弹簧片下端的遮光片也随之左右移动，反复遮挡两根相对位置的光纤。记录光纤的通断次数，就可以算出浮体移动的距离;即测得液面高度。该测量方法精度较高，但是体积较大，装置过于复杂，用来测量飞机燃油液位还需改进。

8.4液面反射式光纤液位传感器

反射式光纤传感器是强度调制型的，原图如图6所示。平面反射镜(液面)垂直于输入和输出光纤的光轴，当反射器前后移动时，耦合进输出光纤内的光功率就会发生变化。在平面镜之后距离为D的位置上形成了一个输入光纤的虚像。因而，确定调制器响应的问题可以等效于计算虚光纤与输出光纤之间的耦合。通过从液体表面反射又被光纤接收的光强信号的变化来探测液面的位移。这种测量方法能够得到较高的精度，但是光纤和透镜的位置对于精度有很大的影响。对于飞机晃动的油面来说，这种测量方法也不太适合。

图6 反射式光纤液位传感器原理图

8.5压力式光纤液位传感器

压力式光纤液位传感器主要这是利用压力使光纤变形, 进而影响光纤中传输光强度的一种液压型光纤液位传感器。光纤压力传感器一般被置于被测液体容器的底部，根据所测压力的大小即可算出相应的液位。压力式光纤液位传感器的原理如图7所示。传感探头由应力微弯变形调制器和传输光纤构成, 位于测量管底部。由光源发出的光经过扩束镜, 会聚注入多模光纤。包层中的非引导模由脱模器去掉, 然后进入微弯变形器。当传感器探头置于液体中后, 变形器受到大气压与液体压力的作用,从而使光纤的微弯程度产生变化, 影响光纤的传输功率, 不同液面高度对变形器产生不同压力, 与之对应可以得到不同的光纤传输功率, 通过探测器测出其变化就可以得出液面的高度。压力式光纤液位传感器可能是目前最成功的光纤液位传感器，特别是布拉格光栅式传感器具有很高的测量精度，已经在海洋深度测量、油罐液位测量等领域获得了广泛应用。但是应用到飞机油箱液位测量上，还需要做出改进。