高可靠性自检燃油油位信号器研究

唐文斌 李东霖

摘 要：机载燃油油位信号系统必须独立于燃油测量系统，用于飞机燃油控制及油量告警。目前行业内使用较多的是单干簧浮子式油位信号器，其主要由外管、干簧、带磁铁的浮子等组成，工作时浮子随油面上下浮动，当油面到达预定位置时，浮子的磁性致使干簧管接通，发出油面告警信号，单干簧信号器都存在可靠性低，稳定性低，外场检测不方便等问题，因此，开发和设计一种新型的具有高可靠性和集自检功能于一身的油位信号器具有重要的意义。

关键词：信号器;自检;余度;高可靠性

中图分类号：V241.9 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）22-0073-02

航空航天燃油信号器是燃油系统发出告警信号的关键部件，目前行业上多数使用的是单干簧式信号器。它是一种采用单干簧式和带磁铁的浮子，浮子随着液面到达指定位置时，使干簧管吸合完成的器件，其关键部件是干簧管，可靠度是由其内置干簧管来保证的。此类信号器中的干簧管都是用环氧树脂胶灌进导杆內的，具有不可修复性，一旦干簧管发生故障，整个信号器都将报废，造成不必要的浪费，另一方面如果信号器在外场发生故障也不方便现场定位干簧管的故障。

因此，在现有技术干簧管、继电器可靠性难以迅速提高的情况下，通过对燃油测量核心部件干簧管、继电器采用并、串联的方式，以达到迅速提高燃油测量信号器可靠性，并且通过对缠绕在干簧管外部线圈通电的方式完成信号器的自检功能，这也就形成了集高可靠性自检于一身的新型信号器—高可靠性自检信号器，目前此类信号器已成功应用于航天领域。

1 信号器组成及功能

信号器的内部组成图见图1。主要由干簧管组合件、浮子组合件、导杆组合件、线路板组合件、安装座、外体及垫圈等组成。

干簧管组合件由四个SGG-1A干簧管、线圈、支撑杆、保持架四部分组成。四个SGG-1A干簧管采取并串方式，固定于保持架上，在干簧管上涂环氧树脂胶，然后把线圈固定在干簧管上。整个干簧管组合件最后灌E-51环树脂胶固定于导杆组合件内。导杆底部到进油口距离2mm，浮子距外壁3mm。浮子组合件由浮子和磁棒组成，浮子材料为聚乙醚泡沫塑料，磁铁固定于浮子内。导杆组合件由导杆和密封塞组成，材料均为2A12，导杆和密封塞之间采用焊接方式。线路板组合件由线路板、电阻、继电器、二极管组成，整个线路板组合件用螺钉固定于安装座内。安装座材料为2A12，采用螺钉固定于于外体上。

信号器功能：当油位信号器装于燃油系统中，用于控制油箱内液面高度，当浮子随油箱内液面高度到达允许值时，干簧管吸合，从而继电器吸合，此时油位信号器发出控制信号，信号器内设计有自检查线路，供外场检查信号器内部干簧管能否正常工作。

2 高可靠性自检信号器工作原理

油位信号器原理框图见图2，各针脚定义如下：

1针：正常信号;

2针：正常信号;

3针：壳体;

4针：检测（28.5V）;

5针：28.5V;

6针：—。

油位信号器检测时，“4针”检测28.5V电源通过限流电阻后，加载在自检线圈上，自检线圈产生自检磁场，致使干簧管接通，干簧管接通后“5针”28.5V电源加载在继电器线圈上，继电器接通，致使“5针”28.5V电源加载在正常信号上，“2针”和“1针”并联，达到检测的目的。

油位信号器工作时，磁浮子位置根据油面发生变化，当浮子到达预定位置时，致使干簧管接通，干簧管接通后“5针”28.5V电源加载在继电器线圈上，继电器接通，致使“5针”28.5V电源加载在正常信号上，信号器工作正常。

下面就信号器各部件工作原理做详细的分解，如：干簧管工作原理、干簧管自检工作原理、干簧管并串联分析、浮子技术等。

2.1 干簧管工作原理

干簧管又称磁控继电器，干簧管是由两根既导电又导磁的合金丝制成的簧片，按一定的相对位置，封结在充有保护气体的玻璃管中而构成的自动控制用元件。它由两根既导电又导磁的铁磁体簧片密封安装在一个玻璃管内构成。两簧片重叠并留有一定间隙以构成接点。平时，玻璃管中的两个簧片是分开的，当永久磁铁靠近干簧管或者由绕在干簧管上的线圈通电形成磁场使簧片磁化时，两个簧片受感应产生一个北极N和一个南极S，玻璃管内的两个异性簧片相互吸引，当吸引的磁力超过簧片的弹力时，簧片就会吸合在一起，使电路连通。当磁力减小到一定值，两个簧片本身的弹力大于其吸引的磁力时，接点又会被分开，从而断开电路。

同理，在干簧管测试时，干簧管外部缠绕着铜质的线圈，对线圈通电会产生外磁场，簧片在外磁场的作用下被磁化。当外磁场足够大时，产生的磁力会使簧片能够克服自身复原力矩而吸合，该指标就是干簧管的吸合安匝数;当外磁场足够小时，簧片又会在自身复原力矩的作用下分开。这样干簧管在实际应用的电路中便起到了磁控开关的作用。

由于它具有结构简单、体积小、重量轻、灵敏度高、吸合功率小等突出优点，因此成为控制中的重要元件，尤其在航空航天等领域被广泛采用。

2.2 干簧管自检原理

螺线管半径为R，总长度l，单位长度上的匝数为N的螺线管在其轴线上一点的磁场感应强度按毕奥—萨伐尔定律计算如下：

将螺线管分割成许多圆线圈。长度为dl内的各匝圆线圈的总效果，是一匝圆电流线圈的ndl倍。

对干簧管生产测试而言，近似认为β1=0，β2=π，以45安匝为例，标准测试时磁感应强度为：

干簧管自检是根据电磁场原理和干簧管的特性，将被测干簧管置入线圈内，当线圈通过电流时，将会产生感应磁场，簧片在磁力作用下克服自身还原力矩开始吸合，测得的干簧管电阻减小，此时电流和线圈匝数的乘积称吸合安匝，导通电阻称为吸合电阻。当两簧片紧密吸合在一起，这时测得的干簧管电阻稳定，称为工作电阻。断开线圈中的电流，簧片在自身复原力矩的作用下开始分离，测得的干簧管电阻增大，此时的安匝数称为释放安匝。通过此方法来达到干簧管提前检测的目的。

2.3 干簧管并串联分析

为了满足信号器高可靠度要求，油位信号器采用了余度设计。余度设计分析如下：

（1）单干簧式如图3所示;（2）串—并结构如图4所示;（3）并—串结构如图5所示。

干簧管失效模式分两种：开路和短路。干簧管失效率为0.003，可靠度为0.997。干簧管出现断路故障模式与短路故障模式的比例为2：1，即断路故障率为0.002，短路故障概率为0.001。普通信號器采用的是第一种单干簧式，一旦干簧管出现开路或者短路，信号器将无法工作，可靠性较低，而串—并结构主要保护短路故障模式，并—串结构主要保护开路故障模式，在航空航天信号器的使用过程中，干簧管最大的失效模式为干簧管损坏造成开路现象，因此，采取第3种4干簧并—串结构，此种结构只有在并联的两个干簧管同时出现开路或者两组干簧管同时闭合的情况下信号器才会故障，而此类现象出现的情况几率很小，因此，采用并串模式大大增加了信号器的可靠性。

2.4 浮子技术

浮子是利用高分子材料配方和发泡成型技术制造的，具有寿命长、不变形、不生霉、不增重、耐高温等特点，并且也有成熟的国防专利技术，其成品在国内各种型号的机型上广泛使用，它与干簧管技术一样都经过国内几乎所有机种的装机验证，不受国外技术和采购渠道制约。

浮子由聚乙醚泡沫塑料材料制成，聚乙醚泡沫塑料密度小于燃油密度，它起的作用是在浮力作用下带动磁铁随液面变化到指定液面高度，使磁铁吸合干簧管，发出告警信号。当液面到达产品规定刻线的时候，随着液面下降，浮子也沿着导杆随之下降，在导杆的底端有挡圈限制浮子的行程，从而磁铁一直吸合干簧管发出告警信号。

3 信号器特点

通过上述分析，高可靠性自检信号器有如下特点：

（1）产品原理采用干簧浮子式原理，用于发出油箱设定油面位置的油面信号;该信号器具有结构简单、可靠性高、成本低等优点;（2）干簧管组件采用冗余设计技术，可提高产品工作可靠性;（3）干簧管组件采用自检测设计，具有提前判断干簧管的好坏的优点;（4）选用军用继电器增强信号器驱动电流，继电器具有两组转换触点，负载电流较单干簧管式信号器增大，具有体积小、重量轻、耐振动、抗冲击及能在恶劣环境条件下可靠工作的特点。

4 结语

本文介绍了高可靠性信号器工作原理及组成，分析了信号器的工作过程，重点讨论了高可靠性设计和自检工作原理。此信号器较之普通信号器大大提高了可靠性并且具有干簧管自检功能，满足了信号器可靠性越来越高的要求。

参考文献

[1] 罗利荣.大功率信号发生器研究[D].武汉：华中科技大学，2014.

[2] 崔丹，耿进龙，王澜.信号系统电子安全设备自检技术研究[J].铁道通信信号，2012，48（10）：18-20.