飞机燃油油量测量系统调零不成功问题研究

2022-04-22王捷WANGJie朱书月ZHUShuyue王凯WANGKai

价值工程 2022年15期

王捷WANG Jie；朱书月ZHU Shu-yue；王凯WANG Kai

（中航西安飞机工业集团股份有限公司，西安 710089）

0 引言

飞机燃油油量的测量数值是预估飞行续航时间和确保飞行安全的重要参数[1]，其功能由燃油测量系统实现。燃油测量系统主要设备见图1，主要包括油量传感器、油量传感器信号器和油量测量计算机等设备，其功能框图见图2。目前飞机燃油测量多使用电容式油量传感器。它安装在油箱内，浸入燃油的高度不同其电容值就产生了相应的变化，再通过C/V 转化电路将电容值转化为电压值传递至油量测量计算机[2]，油量测量计算机将不同电压值对应的油量值进行比对计算和温度修正再输出，从而得到飞行仪表上的燃油数据。因设备精度高，电容值存在个体差异，故在安装后需对燃油油量测量系统进行调零、调满工作。某飞机在执行燃油系统调零操作后，一线检测设备显示调零成功，但机上油量显示并未归零。故针对这一问题进行原理研究和技术改进，解决调零不成功问题。

图1 油量测量计算机及油量传感（信号）器

图2 燃油测量系统功能框图

1 故障原因分析

为解决该问题，首先进行FTA 分析，故障树见图3。

图3 调零不成功问题故障树

首先针对调零后机上油量未归零问题，梳理出该故障的3 个底事件如下：

①一线检测设备故障；

②检测设备通讯电缆故障；

③油量测量计算机故障。

1.1 一线检测设备故障底事件分析

一线检测设备故障，可能存在未成功发送调零指令却错误显示调零成功的情况，导致一线检测设备显示调零成功，实际油量测量计算机未执行调零操作，机上油量未归零的故障现象。

一线检测设备是用于在地面给油量测量系统调零调满的设备。在飞机空油和满油的情况下，通过RS422A 通讯方式向燃油测量系统发送燃油油量零位和满位的校准指令，并通过RS422A 通讯方式接收燃油测量系统反馈的校准结果信息，随后再通过ARINC429 通讯接收油位校准后的油量数据并发送至屏幕显示。因其功能较多，故一线检测设备采用双CPU 设计，分别为数据处理模块A 和数据处理模块B,二者之间通过IIC 通讯进行数据交互。数据处理模块A 负责接收燃油测量系统发出的油量数据，采用循环接收的模式，周期为300ms。接收到的油量数据信息经过处理后，通过IIC 通讯以300ms 的周期向数据处理模块B 循环发送。数据处理模块B 负责与燃油测量系统进行RS422 通讯信息交互，只有在触发调零或调满操作期间，数据处理模块B 向燃油测量系统发送燃油油量零位和满位的校准指令，并通过RS422A 通讯方式接收燃油测量系统反馈的校准结果信息。同时，数据处理模块B 可通过RS232 通讯向其显示屏发送校准结果信息和油量数据信息。该一线检测设备具有自检功能，包括硬件自检和通讯自检。硬件自检方式为实时监测检测设备重要硬件线路工作状态；通讯自检方式为可以实现自发自收，判断自身通讯模块工作状态。

现场人员对一线检测设备进行自检和返厂功能检查，结果均正常，故可排除一线检测设备故障底事件。

1.2 检测设备通讯电缆故障底事件分析

检测设备通讯电缆故障，调零指令可能未成功发送至油量测量计算机，亦会导致一线检测设备显示调零成功，但实际油量测量计算机未执行调零操作，机上油量未归零的故障现象。

为排查上述底事件，现场人员对检测设备通讯电缆进行通断检查，结果均无异常，故继续分析油量测量计算机故障底事件。

1.3 油量测量计算机故障底事件分析

燃油油量测量系统采用电容式测量原理，油量传感器输出电容量与油量传感器的浸油高度呈线性正比关系。机上调零的目的在于记录空油时油量传感器的电容量，机上调满的目的在于记录满油时油量传感器的电容量。知道了油量传感器空油与满油时的电容量，就可以计算出线性正比关系的斜率。根据测量到的油量传感器电容量，计算出油量传感器的浸油高度，油量测量计算机再根据浸油高度和油箱曲线进行对比即可计算出油箱剩余油量。

根据本次故障现象，以下3 点问题可引发机上调零不成功故障，详述如下。

1.3.1 C/V 芯片故障分析

C/V 芯片是油量测量计算机内部用于采集传感器电容值的核心元器件，C/V 芯片故障可能导致采集到的传感器电容值不停变化，导致油量测量计算机在成功完成调零操作后，油量无法归零。

1.3.2 铁电存储器故障分析

油量测量计算机使用铁电存储器储存零满数据，铁电存储器失效会导致零满数据无法写入，可能导致油量测量计算机在成功完成调零操作后，油量仍无法归零。

为详细分析本底事件，特对故障油量测量计算机进行专用检测设备检查，其C/V 芯片转换功能和铁电存储器储存零满数据功能均正常，故可以排除C/V 芯片故障和铁电存储器故障。

1.3.3 地线未良好连接分析

由于油量传感器输出的电容信号是个微小的弱电信号，极小的信号波动都会引起测量到的油量传感器电容量跳变，导致机上油量测量的不稳定。又因为油量信号测量的数值大小是以其参考地为零点进行计算，故为了保证测量数据的稳定可靠，就必须确保油量传感器与油量测量计算机一点稳定接地并实现参考地绝对统一，避免因为参考地不一致或不稳定引起测量错误或跳变。油量测量计算机与油量传感器在机上安装时，分别就近与飞机结构搭接，以提高产品的电磁屏蔽性能与抗干扰性能。同时，油量测量计算机与油量传感器之间通过电缆实现地线连接，达到油量测量计算机与油量传感器测量共地的设计要求。

分解检查故障油量测量计算机，根据检查结果，绘制出故障油量测量计算机接线状态如图4 所示。由上图可发现电缆引入的油量传感器测量地未与计算机壳体搭接，油量测量计算机系统地只能通过28V 电源地线与飞机的壳体地搭接。在此情况下，油量测量计算机与检测设备会共用地线，这样油量测量计算机的地电位会受到检测设备工作电流的影响。

图4 故障油量测量计算机接线状态

设油量测量计算机工作电流为I1，检测设备工作电流为I2，油量测量计算机与检测设备共用地线电阻为R。由此，检测设备未工作时，油量测量计算机地电位电压为I1*R；检测设备工作时，地电位电压为（I1+I2）*R。即检测设备工作时，油量测量计算机地电位电压会上升I2*R。

由此可知，油量传感器测量地未在油量测量计算机内部与壳体搭接，二者测量不共地，电容值受不共地因素的影响产生波动，即使在油量测量计算机完成调零操作后，机上油量也无法归零。进而该问题原因可定位，是由油量传感器测量地引入油量测量计算机内部的地线未与机箱连接地线搭接所致。

2 解决措施

如图5 所示，将油量测量计算机内部地线和机箱连接地线搭接后，油量传感器壳体地、油量测量计算机壳体地与机上28V 电源地都与飞机壳体地接通；油量传感器的测量地通过机上电缆接到油量测量计算机内部后接系统地，同时通过增加的接地线再接油量测量计算机壳体地；28V 电源地进入油量测量计算机后，连接油量测量计算机系统地，通过增加的接地线接油量测量计算机壳体地；28V 电源地进入检测设备，经过检测设备内部开关电源转换输出检测设备5V 电源地，检测设备5V 电源地通过检测设备电缆连接到油量测量计算机系统地。在这种接线状态下，油量测量计算机系统地通过油量测量计算机壳体地实现与飞机壳体地的搭接，可以保证搭接良好可靠。

图5 增加统一接地线后状态

为验证上述分析，特将故障油量测量计算机返修增加内部地线后装机进行验证，经确认可以成功完成调零、调满工作。后续已对油量测量计算机进行技术改进，将油量测量计算机的内部接地线和机箱连接地线稳定搭接，问题得以解决。

3 原因总结

此次燃油油量测量系统调零不成功的原因为油量测量计算机内部未接系统地到壳体的地线，调零前接上检测设备，受到检测设备用电影响，油量测量计算机系统地电平上升，导致油量传感器采样值降低，油量降低。调零工作完成后，油量“假象归零”。当检测设备断电后，油量测量计算机系统地不再受到检测设备用电影响，油量测量计算机系统地电平恢复，油量传感器采样值恢复正常，油量显示数值又上涨。最终导致的问题现象就是机上完成调零后油量显示归零，检测设备下电后油量又出现了上涨，故障即表现为机上调零不成功。

经原因分析和实际验证后，将油量测量计算机系统地通过内部接地线与壳体统一连接，继而实现与飞机壳体地的搭接。连接检测设备时，油量测量计算机与检测设备共用地线电阻为R=0。这时即使检测设备工作时，油量测量计算机地电位电压也不会变化，也不会导致油量传感器采样值变化，即可解决机上调零不成功问题。