劉兆強(qiáng) 楊東 許揚(yáng) 李長勝

摘要：為了提升飛機(jī)燃油測(cè)量系統(tǒng)的免加油校準(zhǔn)能力，根據(jù)油量測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，分析了各部件對(duì)油量測(cè)量一致性的影響權(quán)重，并在權(quán)重分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)常規(guī)的手動(dòng)校準(zhǔn)和自動(dòng)校準(zhǔn)方案論證結(jié)果，提出了一種燃油測(cè)量系統(tǒng)免加油校準(zhǔn)設(shè)備方案。結(jié)果顯示，該設(shè)備的原理正確，功能完善，能滿足大部分條件下的飛機(jī)燃油測(cè)量系統(tǒng)免加油校準(zhǔn)操作。

關(guān)鍵詞：燃油測(cè)量系統(tǒng)；測(cè)量一致性；系統(tǒng)免加油校準(zhǔn)

Keywords：fuel measuring system；measurement consistency；fuel free calibration

0 引言

目前，飛機(jī)燃油測(cè)控系統(tǒng)主要以電容式測(cè)量原理為主，傳感器中不同的油量將導(dǎo)致不同的輸出電容，配以附屬處理電路即可完成飛機(jī)油量信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與顯示[1，2]。而在油量測(cè)量和模擬信號(hào)傳輸過程中，油量傳感器、激勵(lì)源信號(hào)、信號(hào)傳輸電纜、信號(hào)處理電路均在一定程度上影響著油量測(cè)量的信號(hào)一致性，因此，在燃油系統(tǒng)裝機(jī)或更換系統(tǒng)油量測(cè)量部件后必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)操作[3]。

系統(tǒng)油量部分的常規(guī)校準(zhǔn)分為手動(dòng)校準(zhǔn)和自動(dòng)校準(zhǔn)兩種方式，但常規(guī)的校準(zhǔn)方式均需要對(duì)飛機(jī)油箱反復(fù)加放油，容易造成地勤人員工作量大和燃油浪費(fèi)，因此燃油系統(tǒng)的免加油校準(zhǔn)被廣泛提出。電容式油量測(cè)量系統(tǒng)免加油校準(zhǔn)是系統(tǒng)性的技術(shù)問題，目前該問題的解決方案有兩種，分別是系統(tǒng)解決方案和利用模擬信號(hào)裝置代替加放油進(jìn)行校準(zhǔn)。其中，系統(tǒng)解決方案是基于產(chǎn)品一致性設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的誤差分配，將油量傳感器、油量測(cè)量電纜、燃油測(cè)量計(jì)算機(jī)進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)，只需在首次加放油時(shí)進(jìn)行標(biāo)定并記錄原始數(shù)據(jù)，后續(xù)更換計(jì)算機(jī)可根據(jù)原始數(shù)據(jù)修訂換裝計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)免加油校準(zhǔn)。利用模擬信號(hào)裝置代替加放油進(jìn)行校準(zhǔn)的方案的具體操作為：利用模擬信號(hào)裝置還原機(jī)上滿油和零油信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油測(cè)量計(jì)算機(jī)的校準(zhǔn)，該方案需要在每架飛機(jī)出廠前均對(duì)從油量傳感器至燃油測(cè)量計(jì)算機(jī)端的電容信號(hào)進(jìn)行測(cè)量并記錄歸檔，且在測(cè)量和還原信號(hào)的環(huán)節(jié)會(huì)引入一定的附加誤差，較難滿足系統(tǒng)測(cè)量誤差要求。

第一種方式適用于新研制的燃油測(cè)量系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行免加油校準(zhǔn)設(shè)計(jì)，第二種方式適用于已有燃油測(cè)量系統(tǒng)的免加油校準(zhǔn)優(yōu)化，本文在此基礎(chǔ)上論述某型飛機(jī)的燃油測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)及免加油校準(zhǔn)優(yōu)化方案。

1 燃油測(cè)量原理

燃油測(cè)量系統(tǒng)由檢查和控制操縱臺(tái)、顯示驅(qū)動(dòng)器、油量傳感器和溫度傳感器組成，圖1所示為常用的設(shè)計(jì)接線方式。檢查和控制操縱臺(tái)接收油量傳感器、溫度傳感器等各類信號(hào)，與顯示驅(qū)動(dòng)器一起對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行綜合處理后得到油量、溫度等信息，通過RS-422A接口發(fā)送到上位機(jī)。檢查和控制操縱臺(tái)還具有油量測(cè)量零滿調(diào)整功能和零滿檢查功能。

如圖2所示，在燃油測(cè)量原理框圖中，虛線框內(nèi)分別為油量傳感器、溫度傳感器、顯示驅(qū)動(dòng)器，其余部分為檢查和控制操縱臺(tái)。

根據(jù)該測(cè)量原理，油量測(cè)量時(shí)的具體操作步驟如下：

1）將115V信號(hào)引入檢查和控制操縱臺(tái)后，變換為激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)油量測(cè)量交流電橋工作，變換為驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)顯示驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的同步電機(jī)工作。

2）顯示驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的同步電機(jī)帶動(dòng)平衡電位計(jì)和取樣電位計(jì)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，平衡電位計(jì)參與交流電橋平衡，取樣電位計(jì)以直流電壓的形式同步反映平衡電位計(jì)的位置情況。

3）溫度傳感器在交流電橋中起電路溫度補(bǔ)償作用（另一路溫度傳感器用于測(cè)量燃油密度，與油量測(cè)量電橋無關(guān)，圖中未反映）。

4）正常工作情況下，一路激勵(lì)信號(hào)通過零檢測(cè)開關(guān)的默認(rèn)位置激勵(lì)調(diào)零電位計(jì)、電容式傳感器（A1橋），另一路激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)調(diào)滿電位計(jì)、溫度傳感器、平衡電位計(jì)、平衡電容（B橋）。兩路信號(hào)求和、放大，轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)控制顯示驅(qū)動(dòng)器的同步電機(jī)做正向和反向運(yùn)動(dòng)，同步電機(jī)帶動(dòng)平衡電位計(jì)和取樣電位計(jì)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。工作結(jié)果有三種： A1橋和B橋信號(hào)平衡，同步電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，油量正常指示；A1橋>B橋，油量顯示上限值；B橋>A1橋，油量顯示下限值。其中，調(diào)零電位計(jì)和調(diào)滿電位計(jì)需在傳感器空油位和滿油位時(shí)按照既定要求調(diào)整到位，為油量測(cè)量確定零滿點(diǎn)。

5）零位檢測(cè)情況下，即按壓檢查和控制操縱臺(tái)上的“零”檢測(cè)按鈕，一路激勵(lì)信號(hào)通過零檢測(cè)開關(guān)的切換位置激勵(lì)標(biāo)準(zhǔn)電位計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)電容（A2橋），另一路激勵(lì)B橋。兩路信號(hào)求和、放大，轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)控制顯示驅(qū)動(dòng)器的同步電機(jī)做正向和反向運(yùn)動(dòng)，同步電機(jī)帶動(dòng)平衡電位計(jì)和取樣電位計(jì)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)的A2橋用于替代A1橋工作，檢測(cè)電橋電路能否回到0±100kg。完成油量零滿標(biāo)定后，需在零位檢測(cè)情況下調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)電位計(jì)使油量指示0±100kg。

6）最大檢測(cè)情況下，即按壓檢查和控制操縱臺(tái)上的“最大”檢測(cè)按鈕，一路激勵(lì)信號(hào)通過零檢測(cè)開關(guān)的默認(rèn)位置激勵(lì)“調(diào)零電位計(jì)、電容式傳感器”，同時(shí)通過最大檢測(cè)開關(guān)的切換位置激勵(lì)“標(biāo)準(zhǔn)電位計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)電容”（A1+A2橋），另一路激勵(lì)B橋。兩路信號(hào)求和、放大，轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)控制顯示驅(qū)動(dòng)器的同步電機(jī)做正向和反向運(yùn)動(dòng)，同步電機(jī)帶動(dòng)平衡電位計(jì)和取樣電位計(jì)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)A1+A2橋工作，檢測(cè)電橋電路能否指示到最大值。

2 油量測(cè)量一致性的影響因素

由圖1和圖2可知，在油量測(cè)量和模擬信號(hào)傳輸過程中，油量傳感器、激勵(lì)源信號(hào)、信號(hào)傳輸電纜、顯示驅(qū)動(dòng)器、檢查和控制操縱臺(tái)均會(huì)影響油量測(cè)量的一致性。而溫度傳感器的物理特性為電阻，本身一致性較好，對(duì)油量測(cè)量一致性影響基本可以忽略。

2.1 油量傳感器

9根油量傳感器的電容最大誤差為15.6pF，相對(duì)誤差為15.6/355.6=4.4%，即油量傳感器影響的極限為4.4%。

2.2 激勵(lì)源信號(hào)

燃油測(cè)量系統(tǒng)油量傳感器的激勵(lì)信號(hào)為115V電源經(jīng)信號(hào)變壓器產(chǎn)生的正弦恒頻信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率為400Hz，峰峰值為20V。由試驗(yàn)結(jié)果可知，激勵(lì)信號(hào)的頻率和信號(hào)峰值均會(huì)對(duì)傳感器的輸出信號(hào)產(chǎn)生影響，誤差約為±0.7%，即極限差異為1.4%，這是一項(xiàng)已得到驗(yàn)證的技術(shù)指標(biāo)。

2.3 信號(hào)傳輸電纜

如圖3所示，在燃油測(cè)量系統(tǒng)中，檢查和控制操縱臺(tái)、顯示驅(qū)動(dòng)器、油量傳感器以及溫度傳感器通過信號(hào)傳輸電纜與油量傳感器相連。油量傳感器從飛機(jī)油箱至飛機(jī)座艙的檢查和控制操縱臺(tái)長達(dá)20m，電纜的敷設(shè)、捆扎方式、線纜間的寄生電容、線纜導(dǎo)通電阻均會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的差異。根據(jù)工程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，油量傳感器到檢查和控制操縱臺(tái)的信號(hào)傳輸電纜引入的分布電容差異為26～34pF，即變化量約為8pF，該差異大小與飛機(jī)型號(hào)相關(guān)。根據(jù)燃油中傳感器電容值約為空氣中電容值的2倍，傳感器組電容變化量約為355.8pF，則相對(duì)變化量為8/355.8=2.2%，即信號(hào)傳輸電纜影響的極限差異為2.2%。

2.4 檢查和控制操縱臺(tái)及顯示驅(qū)動(dòng)器

檢查和控制操縱臺(tái)及顯示驅(qū)動(dòng)器共同構(gòu)成油量測(cè)量電橋電路，而內(nèi)部變壓器、運(yùn)算放大器、功率三極管、同步電機(jī)、多聯(lián)電位器及阻容器件等器件的個(gè)體差異以及內(nèi)部印制電路板、線束等差異也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)測(cè)量的一致性降低。檢查和控制操作臺(tái)及顯示驅(qū)動(dòng)器的差異性可以通過調(diào)零、調(diào)滿操作消除，在本免加油校準(zhǔn)方案中可以忽略。

因此，若不進(jìn)行機(jī)上加放油調(diào)零、調(diào)滿操作以消除傳感器和電纜引入的誤差，則燃油測(cè)量系統(tǒng)中將最大引入4.4%+1.4%+2.2%=8%的誤差值，將超出規(guī)定的使用要求。

3 燃油測(cè)量常規(guī)校準(zhǔn)操作

3.1 校準(zhǔn)的必要性

如上所述，受燃油測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量原理所限，產(chǎn)品裝機(jī)后的油量傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換各環(huán)節(jié)存在參數(shù)差異，油量測(cè)量難以一致。當(dāng)前實(shí)際工程應(yīng)用中難以消除油量傳感器、信號(hào)傳輸電纜、元器件參數(shù)的差異性，因此，在燃油系統(tǒng)裝機(jī)或更換系統(tǒng)油量測(cè)量部件（檢查和控制操縱臺(tái)、顯示驅(qū)動(dòng)器、油量傳感器）后，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)操作。

在不同的液面高度下，電容式油量傳感器輸出不同的電容值，經(jīng)測(cè)量變換為不同的電壓。由于油量傳感器上已刻錄了油箱曲線，實(shí)際測(cè)量油箱內(nèi)油量值和油量測(cè)量電壓值后，得到如圖4所示的曲線。

如圖4所示，油量和電壓曲線近似為一次曲線，因此可用一次方程y=k+b進(jìn)行線性擬合，假設(shè)油量值與電壓值的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

燃油測(cè)量系統(tǒng)常規(guī)校準(zhǔn)設(shè)備的檢查和控制操縱臺(tái)面板如圖5所示。

某型機(jī)要求測(cè)量系統(tǒng)的檢查和操縱控制臺(tái)、顯示驅(qū)動(dòng)器在首次裝機(jī)或其中任意部件更換或油量傳感器在首次裝機(jī)或1/3的油量傳感器部件更換后，必須實(shí)施系統(tǒng)油量部分的調(diào)零、調(diào)滿校準(zhǔn)。目前，系統(tǒng)油量部分的常規(guī)校準(zhǔn)分為手動(dòng)校準(zhǔn)和自動(dòng)校準(zhǔn)兩種形式。系統(tǒng)產(chǎn)品首次裝機(jī)進(jìn)行油量部分校準(zhǔn)時(shí)，需先進(jìn)行手動(dòng)校準(zhǔn)，再進(jìn)行系統(tǒng)自動(dòng)校準(zhǔn)；飛機(jī)在之后的使用過程中，若需進(jìn)行油量部分的校準(zhǔn)，一般直接實(shí)施自動(dòng)校準(zhǔn)，無需再進(jìn)行手動(dòng)校準(zhǔn)。

3.2 手動(dòng)調(diào)整校準(zhǔn)

將燃油測(cè)量系統(tǒng)安裝上飛機(jī)后，系統(tǒng)油量部分的手動(dòng)校準(zhǔn)包含以下步驟：打開系統(tǒng)檢測(cè)口蓋，將專用試驗(yàn)器連接到系統(tǒng)檢測(cè)口；接通本燃油測(cè)量系統(tǒng)的電源；系統(tǒng)產(chǎn)品通電3min后，打開調(diào)整蓋板；在空油箱狀態(tài)時(shí)，旋動(dòng)“零”調(diào)整旋鈕，調(diào)整燃油油量系統(tǒng)的零位，使專用試驗(yàn)器顯示值為0.6±0.05V；在滿油箱狀態(tài)時(shí)，旋動(dòng)“最大”調(diào)整旋鈕，使專用試驗(yàn)器顯示值為7±0.3V；系統(tǒng)油量部分調(diào)零、調(diào)滿校準(zhǔn)完畢后，關(guān)閉調(diào)整蓋板；關(guān)閉本燃油測(cè)量系統(tǒng)的電源；關(guān)閉系統(tǒng)檢測(cè)口蓋。手動(dòng)校準(zhǔn)過程中應(yīng)注意，在調(diào)節(jié)滿位后，需檢查系統(tǒng)的零位值，必要時(shí)需反復(fù)進(jìn)行調(diào)整。

3.3 自動(dòng)調(diào)整校準(zhǔn)

燃油測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)校準(zhǔn)包括調(diào)零校準(zhǔn)和調(diào)滿校準(zhǔn)，具體操作是以“自動(dòng)調(diào)零”按鈕和“自動(dòng)調(diào)滿”按鈕共同完成。

在進(jìn)行燃油測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)整校準(zhǔn)時(shí)，按以下步驟進(jìn)行：接通燃油測(cè)量系統(tǒng)的電源；系統(tǒng)產(chǎn)品通電3min后，打開調(diào)整蓋板；在飛機(jī)油箱滿油或空油狀態(tài)時(shí)，按下“自動(dòng)調(diào)滿”或“自動(dòng)調(diào)零”按鈕3s后松開，完成系統(tǒng)油量部分的自動(dòng)調(diào)滿調(diào)零校準(zhǔn)；關(guān)閉本燃油測(cè)量系統(tǒng)的電源；關(guān)閉檢查和控制操縱臺(tái)面板上的調(diào)整蓋板。

4 燃油油量測(cè)量系統(tǒng)免加油校準(zhǔn)方案設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)備工作原理

研制的免加油校準(zhǔn)設(shè)備由數(shù)字式電容測(cè)量電路、免加油校準(zhǔn)裝置、飛機(jī)油量信號(hào)模擬裝置、面板顯示模塊等組成。燃油油量-耗量測(cè)量系統(tǒng)免加油校準(zhǔn)檢測(cè)設(shè)備板如圖6所示。

數(shù)字式電容測(cè)量電路由運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、面板插座操縱板組件、檢測(cè)電纜組件等組成，對(duì)飛機(jī)燃油電容信號(hào)及傳感器電容值進(jìn)行測(cè)量及故障判斷，并通過面板波段開關(guān)切換，在線測(cè)量飛機(jī)各油量傳感器的電容值和全機(jī)總電容值（油量）以及單根油量傳感器的電容值。通過數(shù)字式電容測(cè)量電路，測(cè)量并記錄飛機(jī)油量零位、滿位電容值。用免加油校準(zhǔn)裝置復(fù)現(xiàn)飛機(jī)油量零位、滿位電容值，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油測(cè)量系統(tǒng)的免加油校準(zhǔn)操作。

該設(shè)備設(shè)計(jì)有電源反接保護(hù)電路，具有反接保護(hù)功能。采用便攜式機(jī)箱設(shè)計(jì)，具有防水、防震功能，并方便外場(chǎng)使用。

4.2 設(shè)備功能

該套燃油油量測(cè)量系統(tǒng)免加油校準(zhǔn)設(shè)備具有的功能包括：1）檢查燃油油量測(cè)量系統(tǒng)的基本誤差；2）隨機(jī)測(cè)量傳感器的空油電容值，地面測(cè)量單個(gè)傳感器的空油電容值；3）對(duì)裝機(jī)后傳感器的故障檢查；4）不加放油，調(diào)整燃油油量測(cè)量系統(tǒng)零、滿位；5）檢測(cè)顯示驅(qū)動(dòng)器直流電壓進(jìn)行燃油油量測(cè)量系統(tǒng)零滿位調(diào)整工作狀態(tài)檢查。6）設(shè)備具有自檢測(cè)功能，電源具有反接保護(hù)功能。

4.3 免加油校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)

準(zhǔn)備環(huán)節(jié)：當(dāng)油量傳感器更換超過1/3時(shí)需測(cè)一次，考慮到傳感器故障率較低，一架飛機(jī)在準(zhǔn)備環(huán)節(jié)只需測(cè)一次。

1）飛機(jī)處于校準(zhǔn)狀態(tài)，將飛機(jī)燃油放空并對(duì)飛機(jī)燃油測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行燃油零位校準(zhǔn)操作；

2）用本設(shè)備實(shí)際測(cè)量并記錄飛機(jī)零位油量電容值；

3）將飛機(jī)燃油加滿并對(duì)飛機(jī)燃油測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行燃油滿位校準(zhǔn)操作；

4）用本設(shè)備實(shí)際測(cè)量并記錄飛機(jī)滿位油量電容值。

使用環(huán)節(jié)：

1）本設(shè)備對(duì)接擬裝機(jī)檢查和控制操縱臺(tái)及顯示驅(qū)動(dòng)器；

2）模擬輸出已記錄飛機(jī)零位油量電容值，并執(zhí)行調(diào)零操作；

3）模擬輸出已記錄飛機(jī)滿位油量電容值，并執(zhí)行調(diào)滿操作；

4）檢查和控制操縱臺(tái)及顯示驅(qū)動(dòng)器裝機(jī)；

5）免加油校準(zhǔn)結(jié)束。

5 結(jié)論

根據(jù)目前飛機(jī)燃油測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，本文分析了油量測(cè)量和模擬信號(hào)傳輸過程中影響油量測(cè)量一致性的各項(xiàng)因素，結(jié)論如下：油量傳感器和信號(hào)傳輸電纜對(duì)油量測(cè)量一致性的影響較大，激勵(lì)信號(hào)和內(nèi)部元器件的質(zhì)量也會(huì)在一定程度上影響傳感器的輸出信號(hào)，而溫度傳感器的影響可以忽略不計(jì)。為提高系統(tǒng)燃油測(cè)量的一致性，在分析常規(guī)手動(dòng)校準(zhǔn)和自動(dòng)校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出一種燃油測(cè)量系統(tǒng)免加油校準(zhǔn)設(shè)備方案，該方案用模擬油量信號(hào)替代真實(shí)加放油過程，復(fù)現(xiàn)飛機(jī)油量零位、滿位電容值，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油測(cè)量系統(tǒng)的免加油校準(zhǔn)操作。該設(shè)備原理正確，功能完善，能滿足大部分條件下的飛機(jī)燃油測(cè)量系統(tǒng)免加油校準(zhǔn)操作。

參考文獻(xiàn)

[1]顏萬億，劉日明. 飛機(jī)燃油系統(tǒng)測(cè)量技術(shù)研究[M]. 北京：第三0一研究所出版，1992.

[2] Roy L，Chuck C. Aircraft Fuel System [M]. United Kingdom：JohnWiley&Sons，Ltd，1996.

[3] HB 6178-1988，電容式燃油油量測(cè)量系統(tǒng)的安裝和校準(zhǔn)[S]. 航空工業(yè)部601所，1988.

作者簡介

劉兆強(qiáng)，研究員級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)載燃油測(cè)量控制。