邱遙遠(yuǎn)，牛滿江，余剛，薛雙喜

航空工業(yè)四川泛華航空儀表電器有限公司，成都 610500

機(jī)載燃油測量是飛機(jī)燃油系統(tǒng)最重要的功能之一。燃油測量的精度、可靠性及維護(hù)性，對飛機(jī)的性能有著重要的影響［1］。對軍用飛機(jī)而言，提高燃油測量精度，意味著可以大大提高飛機(jī)的有效載荷、航程及作戰(zhàn)半徑；而對民用飛機(jī)而言，提高燃油測量精度，則可以提高載客載貨能力，大大改善飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性，降低運(yùn)營成本。

飛機(jī)燃油測量一般以質(zhì)量作為測量的最終結(jié)果，然而由于飛機(jī)在不同氣候、不同空域下，不同牌號燃油的品質(zhì)等會(huì)發(fā)生很大變化，從而引起燃油密度的變化，這樣就增加了燃油測量的不確定性［2］。因此，為了實(shí)現(xiàn)最高精度燃油質(zhì)量測量，必須能夠直接測量飛機(jī)燃油的密度［3－4］。

航空機(jī)載燃油密度傳感器能實(shí)現(xiàn)機(jī)載燃油密度實(shí)時(shí)測量，該傳感器具有測量精度高［5－6］（優(yōu)于0.4%）、穩(wěn)定性好（不隨燃油牌號、溫度等變化而變化）、體積小、重量輕、功耗低［7］等特點(diǎn)，同時(shí)該傳感器能在惡劣環(huán)境下進(jìn)行測量，具備優(yōu)異的抗電磁干擾和防爆等性能。然而，在飛機(jī)的各種飛行包線環(huán)境下，機(jī)載燃油的溫度會(huì)發(fā)生劇烈變化，因此密度傳感器在高溫燃油或低溫燃油中的工作性能直接關(guān)系到燃油測量精度。

在國外，由于商業(yè)秘密限制等原因，暫未獲得相關(guān)航空機(jī)載企業(yè)對機(jī)載燃油密度傳感器進(jìn)行高低溫靜態(tài)試驗(yàn)的方法。在國內(nèi)，某單位從事航空機(jī)載燃油密度傳感器研制生產(chǎn)，該單位采用高低溫箱進(jìn)行密度傳感器高低溫性能靜態(tài)試驗(yàn)，這種方式既沒有實(shí)時(shí)檢測燃油的實(shí)際溫度，也沒有測量高溫燃油或低溫燃油的真實(shí)密度，因此無法真實(shí)有效地驗(yàn)證密度傳感器在高溫燃油或低溫燃油中的測量精度。

在C919大型客機(jī)機(jī)載燃油密度傳感器的研制過程中，飛機(jī)總體設(shè)計(jì)單位和美國Parker公司要求在－45～60℃的燃油溫度范圍內(nèi)，機(jī)載燃油密度傳感器的測量精度不低于0.4%。而傳統(tǒng)的高低溫靜態(tài)試驗(yàn)方法顯然無法滿足這一需求。

因此，本文對航空機(jī)載燃油密度傳感器高低溫靜態(tài)試驗(yàn)方法技術(shù)進(jìn)行了研究，運(yùn)用阿基米德原理研究了一種在燃油中進(jìn)行高低溫靜態(tài)試驗(yàn)的新型試驗(yàn)裝置和方法，打破傳統(tǒng)高低溫靜態(tài)試驗(yàn)方法的固有思維，彌補(bǔ)了高低溫靜態(tài)試驗(yàn)時(shí)難以實(shí)時(shí)測量燃油真實(shí)密度的缺陷，可以精確地驗(yàn)證密度傳感器在高溫燃油或低溫燃油中的測量精度，并通過了C919總體設(shè)計(jì)單位和美國Parker公司的評審，為航空機(jī)載燃油密度傳感器工程應(yīng)用和裝機(jī)試飛提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)方法

為了測試航空機(jī)載燃油密度傳感器高溫燃油和低溫燃油中的測量精度，需要解決以下3個(gè)關(guān)鍵問題：① 試驗(yàn)驗(yàn)證裝置的測量精度及實(shí)現(xiàn)方案；② 試驗(yàn)時(shí)，燃油密度傳感器所處區(qū)域的真實(shí)燃油溫度及獲取方法；③ 在某一溫度條件下，燃油的真實(shí)密度值及獲取方法。

1.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

Fig.1 Diagram of test equipment

本節(jié)設(shè)計(jì)了密度傳感器高低溫靜態(tài)試驗(yàn)裝置，示意圖如圖1所示，裝置由高低溫試驗(yàn)箱、專用航空燃油油箱（受試密度傳感器固定在油箱中）、支撐平臺、CNAS（China National Accreditation Service for Conformity Assessment，中國合格評定國家認(rèn)可委員會(huì)）實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)合格的維持放大器、分析天平、高精機(jī)載燃油溫度傳感器、吊錘和燃油管路等組成。經(jīng)美國Parker公司評審確認(rèn)，本方案采用阿基米德原理實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)用燃油密度精確測量是滿足要求的，從根源解決了驗(yàn)證裝置精度問題（使用其他類型和等級的密度計(jì)，依然不能證明該類型密度計(jì)在高低溫條件下的精度）；采用雙高精機(jī)載燃油溫度傳感器實(shí)現(xiàn)密度傳感器所處區(qū)域燃油溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控（布置于密度傳感器上下側(cè)），保證了試驗(yàn)溫度指標(biāo)要求；CNAS校準(zhǔn)維持放大器實(shí)現(xiàn)密度傳感器輸出信號拾取。

試驗(yàn)前，先建立靜態(tài)試驗(yàn)基準(zhǔn)（見1.2節(jié)），然后記錄分析天平測量的吊錘在空氣中的質(zhì)量，燃油通過燃油管路將RP-3航空煤油加注入燃油箱，并用高低溫試驗(yàn)箱對煤油進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度傳感器所感應(yīng)溫度達(dá)到試驗(yàn)要求溫度并穩(wěn)定后，記錄分析天平測量的吊錘在煤油中的質(zhì)量，通過溫度補(bǔ)償計(jì)算得到試驗(yàn)溫度下的吊錘體積，并運(yùn)用阿基米德原理變換公式計(jì)算得到此時(shí)燃油的真實(shí)密度，作為相對誤差計(jì)算的真值。再讀取維持放大器測量的密度傳感器輸出信號周期，借助密度傳感器合格證上給定的公式（后文給出）可計(jì)算得到密度傳感器測量的密度值，該測量結(jié)果減去真值，得到絕對誤差。最后通過相對誤差計(jì)算方法得到機(jī)載燃油密度傳感器的測量精度指標(biāo)。

1.2 試驗(yàn)裝置靜態(tài)基準(zhǔn)設(shè)計(jì)

一般要求試驗(yàn)裝置的測量精度為UUT（Unit Under Test，受試設(shè)備）測量精度的4倍及以上［8］，所以為了驗(yàn)證密度傳感器的在高溫燃油和低溫燃油中的測量精度（0.4%），就需要建立更高精度的驗(yàn)證基準(zhǔn)（不能高于0.1%）。

1.2.1 吊錘體積標(biāo)定原理

在本試驗(yàn)裝置中，借助吊錘測量航空煤油真實(shí)密度值的過程至關(guān)重要，所以必須先對吊錘體積進(jìn)行標(biāo)定，以最大限度地降低驗(yàn)證系統(tǒng)誤差。

本文應(yīng)用阿基米德原理進(jìn)行吊錘體積標(biāo)定，吊錘全部浸在燃油中時(shí)，它會(huì)受到向上的浮力，浮力的大小等于吊錘排開液體所受到的重力的大小，即得到吊錘排開液體的體積＝（吊錘在空氣中的質(zhì)量－吊錘在液體中的質(zhì)量）／液體密度，吊錘排開液體的體積即為吊錘的體積。

在進(jìn)行密度傳感器高低溫靜態(tài)試驗(yàn)前，必須要對吊錘體積進(jìn)行標(biāo)定，示意如圖2所示［9］，將分析天平（經(jīng)CNAS實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)）置于支撐平臺上、標(biāo)準(zhǔn)液體倒入器皿中，用分析天平分別稱重得到吊錘在空氣中的質(zhì)量m空氣和完全浸沒在液體中的質(zhì)量m液，結(jié)合CNAS實(shí)驗(yàn)室給出的標(biāo)準(zhǔn)液體密度ρ，計(jì)算［10］得到吊錘標(biāo)定體積V標(biāo)為

1.2.2 燃油溫度測量方法

為了使燃油箱中的燃油溫度穩(wěn)定性和均勻性均優(yōu)于±0.5℃，本文設(shè)計(jì)了浸沒燃油箱的高低溫恒溫油槽，同時(shí)使用2個(gè)高精度機(jī)載燃油溫度傳感器測量密度傳感器附近的燃油溫度，溫度傳感器要滿足B類儀表［11］規(guī)范要求，保證試驗(yàn)所采用的整個(gè)溫度測量系統(tǒng)［12－13］滿足±0.1℃的誤差要求。

1.2.3 帶溫度修正的燃油密度靜態(tài)標(biāo)定原理

作為整個(gè)驗(yàn)證裝置的核心，在試驗(yàn)過程中，RP-3航空煤油真實(shí)密度值的獲取關(guān)系到驗(yàn)證系統(tǒng)精度的實(shí)現(xiàn)，本文應(yīng)用阿基米德原理測定試驗(yàn)燃油真實(shí)密度ρs：

Fig.2 Diagram of hanging hammer volume calibration［9］

式中：ρs為燃油真實(shí)密度；m錘空為試驗(yàn)前吊錘在空氣中的質(zhì)量；m錘油為試驗(yàn)時(shí)吊錘完全浸沒在燃油中的質(zhì)量；V錘為試驗(yàn)時(shí)吊錘的體積，即

其中：t為試驗(yàn)時(shí)油箱中的燃油溫度；t標(biāo)為標(biāo)定時(shí)的燃油溫度；0.0 000 236為吊錘（吊錘材料為鋁合金2A12T4）的 溫 度 膨 脹 或 收 縮 系 數(shù)［14］，單位為℃－1。

標(biāo)定時(shí)需取一份燃油試樣（本文試驗(yàn)燃油為RP-3航空煤油），由CNAS實(shí)驗(yàn)室給出t標(biāo)溫度條件下的試樣密度值，該密度與式（2）計(jì)算得到的燃油密度值對比，計(jì)算它們的相對誤差，可得到試驗(yàn)裝置的真實(shí)密度測量精度。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)裝置靜態(tài)標(biāo)定及結(jié)果

為保證高低溫靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，需要按1.2節(jié)要求對試驗(yàn)裝置進(jìn)行標(biāo)定。

首先按圖1建立試驗(yàn)裝置系統(tǒng)，加注RP-3航空煤油至燃油箱滿刻度線位置以完全浸沒燃油溫度傳感器，調(diào)節(jié)高低溫試驗(yàn)箱溫度至設(shè)定值（標(biāo)定時(shí)分別設(shè)定2個(gè)溫度進(jìn)行驗(yàn)證），等到1＃和2＃溫度傳感器電阻值穩(wěn)定后，記錄溫度穩(wěn)定時(shí)間保證正式進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，同時(shí)記錄2個(gè)溫度傳感器電阻值，并根據(jù)PT1000熱電阻分度表（在溫度傳感器技術(shù)說明書中）換算出溫度值，計(jì)算出溫度絕對誤差。

燃油溫度標(biāo)定結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明溫度測量系統(tǒng)誤差小于±0.1℃，在密度傳感器上下各布置一個(gè)高精度航空機(jī)載燃油溫度傳感器能有效監(jiān)控燃油密度傳感器所處區(qū)域真實(shí)溫度，設(shè)計(jì)裝置可以保證燃油溫度的穩(wěn)定性和均勻性，滿足試驗(yàn)要求。

表1 燃油溫度標(biāo)定結(jié)果Table 1 Results of fuel temperature calibration

在圖1的試驗(yàn)裝置系統(tǒng)中，加注RP-3航空煤油至燃油箱滿刻度線位置，用CNAS實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)密度計(jì)測量燃油箱中的航空煤油密度值，記錄燃油溫度和密度值；然后按照1.2.3節(jié)方法對吊錘進(jìn)行稱重，用式（2）計(jì)算航空煤油密度值。

燃油密度標(biāo)定結(jié)果如表2所示，吊錘方式測量的密度值與CNAS方式測定的密度值相對誤差Δρ為－0.025%，而CNAS實(shí)驗(yàn)室的密度標(biāo)定精度為±0.052%，所以采用吊錘方式測量密度的最大誤差為－0.077%（即－0.025%－0.052%＝－0.077%）。

表2 燃油密度標(biāo)定結(jié)果Table 2 Results of fuel density calibration

綜上，標(biāo)定結(jié)果表明：溫度測量系統(tǒng)誤差小于±0.1℃，密度測量系統(tǒng)的最大誤差為－0.077%，滿足試驗(yàn)裝置的測量精度為密度傳感器（UUT）測量精度4倍及以上的要求（C919任務(wù)規(guī)定密度傳感器測量精度為0.4%）。

2.2 密度測量試驗(yàn)及結(jié)果

按本文圖1搭建好試驗(yàn)裝置系統(tǒng)，在完成2.1節(jié)的標(biāo)定試驗(yàn)后后，不更換燃油箱中的RP-3航空煤油，同時(shí)使密度傳感器處于工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)試驗(yàn)箱溫度，待溫度穩(wěn)定后，記錄的2個(gè)燃油溫度傳感器測量的溫度為試驗(yàn)溫度，并按照《DO-160F機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)程序》的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)［15］，在規(guī)定的檢測時(shí)間點(diǎn)記錄燃油密度傳感器輸出信號周期T和吊錘在燃油中的質(zhì)量，結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用式（2）計(jì)算試驗(yàn)裝置密度測量系統(tǒng)測得的燃油密度ρs，應(yīng)用式（4）計(jì)算密度傳感器測量得到的密度值［16－18］，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

式中：K0、K1、K2為航空機(jī)載燃油密度傳感器儀表常數(shù)，也叫特征系數(shù)，制造商在研制生產(chǎn)過程中，通過多種液體標(biāo)定實(shí)驗(yàn)確定［19－21］，并在合格證上標(biāo)明。

表4 燃油密度計(jì)算結(jié)果Table 4 Results of fuel density calculation

試驗(yàn)結(jié)果表明，在RP-3航空煤油和工作溫度范圍內(nèi)（－45～60℃），航空機(jī)載燃油度傳感器的最大密度測量誤差為0.18%，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)（規(guī)定精度為0.4%）要求。

3 結(jié) 論

1）運(yùn)用阿基米德原理，設(shè)計(jì)了一種新的高精度航空機(jī)載燃油密度傳感器高低溫靜態(tài)試驗(yàn)方法，搭建了一套高低溫靜態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證裝置。

2）通過標(biāo)定試驗(yàn)，表明試驗(yàn)驗(yàn)證裝置密度測量系統(tǒng)的最大誤差為－0.077%，符合試驗(yàn)裝置的測量精度為密度傳感器（UUT）測量精度4倍及以上的規(guī)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，滿足航空機(jī)載燃油密度傳感器高低溫靜態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證要求。

3）通過高溫燃油試驗(yàn)和低溫燃油試驗(yàn)驗(yàn)證，表明航空機(jī)載燃油密度傳感器在高溫燃油和低溫燃油中燃油密度最大測量誤差為0.18%，優(yōu)于0.4%。